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Simulating Human Associations with Linked Data (2018)

Hees, Jörn

In recent years, enormous progress has been made in the field of Artificial Intelligence (AI). Especially the introduction of Deep Learning and end-to-end learning, the availability of large datasets and the necessary computational power in form of specialised hardware allowed researchers to build systems with previously unseen performance in areas such as computer vision, machine translation and machine gaming. In parallel, the Semantic Web and its Linked Data movement have published many interlinked RDF datasets, forming the world’s largest, decentralised and publicly available knowledge base. Despite these scientific successes, all current systems are still narrow AI systems. Each of them is specialised to a specific task and cannot easily be adapted to all other human intelligence tasks, as would be necessary for Artificial General Intelligence (AGI). Furthermore, most of the currently developed systems are not able to learn by making use of freely available knowledge such as provided by the Semantic Web. Autonomous incorporation of new knowledge is however one of the pre-conditions for human-like problem solving. This work provides a small step towards teaching machines such human-like reasoning on freely available knowledge from the Semantic Web. We investigate how human associations, one of the building blocks of our thinking, can be simulated with Linked Data. The two main results of these investigations are a ground truth dataset of semantic associations and a machine learning algorithm that is able to identify patterns for them in huge knowledge bases. The ground truth dataset of semantic associations consists of DBpedia entities that are known to be strongly associated by humans. The dataset is published as RDF and can be used for future research. The developed machine learning algorithm is an evolutionary algorithm that can learn SPARQL queries from a given SPARQL endpoint based on a given list of exemplary source-target entity pairs. The algorithm operates in an end-to-end learning fashion, extracting features in form of graph patterns without the need for human intervention. The learned patterns form a feature space adapted to the given list of examples and can be used to predict target candidates from the SPARQL endpoint for new source nodes. On our semantic association ground truth dataset, our evolutionary graph pattern learner reaches a Recall@10 of > 63 % and an MRR (& MAP) > 43 %, outperforming all baselines. With an achieved Recall@1 of > 34% it even reaches average human top response prediction performance. We also demonstrate how the graph pattern learner can be applied to other interesting areas without modification.

SDE-driven modeling of phenotypically heterogeneous tumors: The influence of cancer cell stemness (2018)

Kroos, Julia ; Stinner, Christian ; Surulescu, Christina ; Surulescu, Nicolae

We deduce cell population models describing the evolution of a tumor (possibly interacting with its environment of healthy cells) with the aid of differential equations. Thereby, different subpopulations of cancer cells allow accounting for the tumor heterogeneity. In our settings these include cancer stem cells known to be less sensitive to treatment and differentiated cancer cells having a higher sensitivity towards chemo- and radiotherapy. Our approach relies on stochastic differential equations in order to account for randomness in the system, arising e.g., by the therapy-induced decreasing number of clonogens, which renders a pure deterministic model arguable. The equations are deduced relying on transition probabilities characterizing innovations of the two cancer cell subpopulations, and similarly extended to also account for the evolution of normal tissue. Several therapy approaches are introduced and compared by way of tumor control probability (TCP) and uncomplicated tumor control probability (UTCP). A PDE approach allows to assess the evolution of tumor and normal tissue with respect to time and to cell population densities which can vary continuously in a given set of states. Analytical approximations of solutions to the obtained PDE system are provided as well.

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern 2018.09 (2018)

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern Nr. 9/03.12.2018

Environmental Inequality in Germany (2018)

Rüttenauer, Tobias

Though environmental inequality research has gained extensive interest in the United States, it has received far less attention in Europe and Germany. The main objective of this book is to extend the research on environmental inequality in Germany. This book aims to shed more light on the question of whether minorities in Germany are affected by a disproportionately high burden of environmental pollution, and to increase the general knowledge about the causal mechanisms, which contribute to the unequal distribution of environmental hazards across the population. To improve our knowledge about environmental inequality in Germany, this book extends previous research in several ways. First, to evaluate the extent of environmental inequality, this book relies on two different data sources. On the on hand, it uses household-level survey data and self-reports about the impairment through air pollution. On the other hand, it combines aggregated census data and objective register-based measures of industrial air pollution by using geographic information systems (GIS). Consequently, this book offers the first analysis of environmental inequality on the national level that uses objective measures of air pollution in Germany. Second, to evaluate the causes of environmental inequality, this book applies a panel data analysis on the household level, thereby offering the first longitudinal analysis of selective migration processes outside the United States. Third, it compares the level of environmental inequality between German metropolitan areas and evaluates to which extent the theoretical arguments of environmental inequality can explain differing levels of environmental inequality across the country. By doing so, this book not only investigates the impact of indicators derived by the standard strand of theoretical reasoning but also includes structural characteristics of the urban space. All studies presented in this book confirm the disproportionate exposure of minorities to environmental pollution. Minorities live in more polluted areas in Germany but also in more polluted parts of the communities, and this disadvantage is most severe in metropolitan regions. Though this book finds evidence for selective migration processes contributing to the disproportionate exposure of minorities to environmental pollution, it also stresses the importance of urban conditions. Especially cities with centrally located industrial facilities yield a high level of environmental inequality. This poses the question of whether environmental inequality might be the result of two independent processes: 1) urban infrastructure confines residential choices of minorities to the urban core, and 2) urban infrastructure facilitates centrally located industries. In combination, both processes lead to a disproportionate burden of minority households.

Mining and Querying Ranked Entitites (2018)

Pal, Koninika

Tables or ranked lists summarize facts about a group of entities in a concise and structured fashion. They are found in all kind of domains and easily comprehensible by humans. Some globally prominent examples of such rankings are the tallest buildings in the World, the richest people in Germany, or most powerful cars. The availability of vast amounts of tables or rankings from open domain allows different ways to explore data. Computing similarity between ranked lists, in order to find those lists where entities are presented in a similar order, carries important analytical insights. This thesis presents a novel query-driven Locality Sensitive Hashing (LSH) method, in order to efficiently find similar top-k rankings for a given input ranking. Experiments show that the proposed method provides a far better performance than inverted-index--based approaches, in particular, it is able to outperform the popular prefix-filtering method. Additionally, an LSH-based probabilistic pruning approach is proposed that optimizes the space utilization of inverted indices, while still maintaining a user-provided recall requirement for the results of the similarity search. Further, this thesis addresses the problem of automatically identifying interesting categorical attributes, in order to explore the entity-centric data by organizing them into meaningful categories. Our approach proposes novel statistical measures, beyond known concepts, like information entropy, in order to capture the distribution of data to train a classifier that can predict which categorical attribute will be perceived suitable by humans for data categorization. We further discuss how the information of useful categories can be applied in PANTHEON and PALEO, two data exploration frameworks developed in our group.

Implicit Self-Adjusting Computation for Purely Functional Programs (2018)

Chen, Yan

Computational problems that involve dynamic data, such as physics simulations and program development environments, have been an important subject of study in programming languages. Recent advances in self-adjusting computation made progress towards achieving efficient incremental computation by providing algorithmic language abstractions to express computations that respond automatically to dynamic changes in their inputs. Selfadjusting programs have been shown to be efficient for a broad range of problems via an explicit programming style, where the programmer uses specific primitives to identify, create and operate on data that can change over time. This dissertation presents implicit self-adjusting computation, a type directed technique for translating purely functional programs into self-adjusting programs. In this implicit approach, the programmer annotates the (toplevel) input types of the programs to be translated. Type inference finds all other types, and a type-directed translation rewrites the source program into an explicitly self-adjusting target program. The type system is related to information-flow type systems and enjoys decidable type inference via constraint solving. We prove that the translation outputs well-typed self-adjusting programs and preserves the source program’s input-output behavior, guaranteeing that translated programs respond correctly to all changes to their data. Using a cost semantics, we also prove that the translation preserves the asymptotic complexity of the source program. As a second contribution, we present two techniques to facilitate the processing of large and dynamic data in self-adjusting computation. First, we present a type system for precise dependency tracking that minimizes the time and space for storing dependency metadata. The type system improves the scalability of self-adjusting computation by eliminating an important assumption of prior work that can lead to recording spurious dependencies. We present a type-directed translation algorithm that generates correct selfadjusting programs without relying on this assumption. Second, we show a probabilistic-chunking technique to further decrease space usage by controlling the fundamental space-time tradeoff in self-adjusting computation. We implement implicit self-adjusting computation as an extension to Standard ML with compiler and runtime support. Using the compiler, we are able to incrementalize an interesting set of applications, including standard list and matrix benchmarks, ray tracer, PageRank, sparse graph connectivity, and social circle counts. Our experiments show that our compiler incrementalizes existing code with only trivial amounts of annotation, and the resulting programs bring asymptotic improvements to large datasets from real-world applications, leading to orders of magnitude speedups in practice.

Rationalisierung als Reaktion auf Defizite der Outputleistung im Bildungssystem? Bestimmung wesentlicher Einflussfaktoren auf bildungspolitische Schulreformen am Beispiel Baden-Württemberg. (2018)

Köhler, Benjamin

Trotz der - theoretisch über die konstruktivistische Systemtheorie begründeten und durch die Organisationsforschung empirisch belegten - zentralen Rolle der Prozesse in der Einzelschule für die Gestaltung von Schulentwicklung, werden durch die Bildungspolitik über die Gestaltung der Systemumwelt wesentliche Impulse für diese Entwicklungsprozesse gesetzt, diese rechtlich und im Bereich der Ressourcen ermöglicht oder eben auch auf diesem Wege blockiert. In der Arbeit wird ein Modell zur Bestimmung wesentlicher Einflussfaktoren auf bildungspolitische Schulreformen im Bereich institutioneller und parteipolitischer Vetospieler, Interessengruppen der Stakeholder, Medien sowie wissenschaftlicher Akteure entwickelt, über das deren Rationalisierungspotential im Sinne einer stärkeren Evidenzbasierung bildungspolitischer Entscheidungen, ihre Einflussstärke und Implementationsstärke bestimmbar werden. Exemplarisch wird dieses Modell im Anschluss auf die institutionelle Neubestimmung der Evidenzbasierung in Baden-Württemberg angewandt.

Fachkräfteerhalt im Gesundheitswesen (2018)

Schümann, Bärbel

Die vorliegende Forschung fokussiert den Fachkräfteerhalt im Gesundheitswesen aus erziehungs- und sozialwissenschaftlicher Perspektive. Dabei geht die Untersuchung den Fragen nach, welche Faktoren den Verbleib im Pflegeberuf beeinflussen, inwieweit die Implementierung gesundheitsfördernder Maßnahmen (BGF) innerhalb des Betrieblichen Gesundheitsmanagements (BGM) zum Erhalt im Pflegeberuf beiträgt und welche gesundheitsfördernden Maßnahmen Pflegefachkräfte benötigen, um (weiterhin) im Beruf arbeiten zu können. Erziehungs- und sozialwissenschafliches Erkenntnisinteresse liegt darin, was zur Vermittlung gesundheitsrelevanter Informationen in der Kindheit beigetragen hat und wie diese Aneignungsprozesse den Begriff der individuellen Gesundheit geprägt haben. Die sozialwissenschaftliche Theoriebasis bildet zum einen das Segment des kulturellen Kapitals der „Habitus/Feld-Theorie“ Bourdieus, der als Aneignung von Kulturkapital die Vermittlung vorschulischer Bildung kennzeichnet, die untrennbar mit dem Individuum verbunden ist. Ein weiteres Teilelement der theoretischen Ausgangsbasis fußt auf autopoietischen Aspekten der „System/Umwelt-Theorie“ Luhmanns, der individuelle Selbststeuerungsprozesse für die Aufnahme und Verarbeitung (gesundheitsrelevanter) Informationen verantwortlich macht. Organisationspädagogische Komponenten bilden den Rahmen des theoretischen Modells, die als Verbindung zwischen Individuum und Organisation fungieren und ädaquate Angebots-strukturen zur Vermittlung einer adressatengerechten Gesundheitsförderung anbieten. Über-einstimmend in allen drei Theorieelementen wird die individuelle Systemgeschichte (Biografie) als relevanter Kernaspekt identifiziert, die sich in der Empirie widerspiegelt. Zur Beantwortung der Forschungsfragen werden sowohl quantitative als auch qualitative Methoden der empirsichen Sozialforschung gewählt; mit einer Reichweite der Analyse von Dokumenten über qualitative Interviews bis hin zur Entwicklung von Typen. Als bedeutsame empirische Kernkategorie kristallisiert sich die Zuschreibung „Wertschät-zung/Anerkennung“ heraus, die sich bereits im Theorieteil wiederfindet. Da die Studie „PflegeWert“ (2011) in der Altenpflege durchgeführt wurde, nimmt die vorliegende Forschung ausschließlich klinisch tätige Pflegefachkräfte in den Blick. Schlüsselbegriffe: Kulturelles Kapital; Autopoiesis; Organisationspädagogik; System-geschichte; Typologie; Wertschätzung

Analyse von Transformationspfaden zur Ableitung von Handlungsempfehlungen für die Abwasserentsorgung im ländlichen Raum (2018)

Baron, Silja

Eine Anpassung von Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungssystemen im ländlichen Raum kann aufgrund vielfältiger Herausforderungen wie demografischen, siedlungsstrukturellen und klimatischen Veränderungen erforderlich werden. Im Zuge dessen können auch die Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz der bestehenden Systeme gesteigert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Unterstützung der notwendigen Anpassungsprozesse der Abwasserentsorgung ländlicher Gemeinden. Dazu werden verschiedene Transformationspfade für Abwassersysteme aufgezeigt und analysiert. In dieser Arbeit wird ein softwaregestütztes Entscheidungs- und Optimierungssystem angewendet und evaluiert, dass optimale Anpassungsmöglichkeiten aufgezeigt. Das gemischt-ganzzahlige lineare Optimierungsmodell berechnet für jede Gemeinde in Abhängigkeit von dem ausgewählten Szenario und vorgegebenen Zielen den optimalen Transformationspfad mit seiner zeitlichen und räumlichen Umsetzung. In den Szenarien werden zukünftige Entwicklungen der Bevölkerung, der Siedlungsstruktur, des Wasserbedarfs, der Kosten technischer Anlagen und des Klimawandels berücksichtigt. Die Zielfunktion bildet sich aus der gewichteten Summe ökonomischer, ökologischer und sozialer Bewertungskriterien. Die beispielhafte Anwendung des Modells erfolgt für zwei repräsentative ländliche Modellkommunen in Rheinland-Pfalz. Durch eine detaillierte Auswertung und Evaluierung von ausgewählten Kombinationen von Szenarien und Bewertungskriterien kann das Spektrum an möglichen Transformationspfaden von der Erhaltung des zentralen Systems bis hin zu dezentralen und ressourcenorientierten Systemen aufgezeigt werden. Sensitivitätsbetrachtungen zeigen, dass die Auswahl und Gewichtung der Bewertungskriterien und die lokalen Randbedingungen der Gemeinde einen größeren Einfluss auf die resultierende Transformationspfade haben als die Auswahl der Szenarien. Der Zustand des Entwässerungssystems wie der Anteil alter Kanäle, ein großer Anteil Mischsystem, große Durchmesser und eine große Kanallänge pro Einwohner sowie eine niedrige Siedlungsdichte fördern dezentrale Strukturen und sind geeignete Voraussetzungen für einen Systemwechsel. Bei der Priorisierung der Ziele Flexibilität, Wasserbilanz und Wasserrecycling wird die Dezentralisierung eines Systems mit Kleinkläranlagen favorisiert. Ein ressourcenorientiertes System mit einer Grau- und Schwarzwassertrennung ist nur zukünftig vorteilhaft, wenn die Ziele Wasserrecycling, Nährstoffrecycling und/oder Energieeffizienz priorisiert werden. Wenn ein Systemwechsel vollzogen werden soll, müssen auch die Auswirkungen auf die Wasserversorgung und Abwasserreinigung untersucht werden. Es kann gezeigt werden, dass bei einer abnehmenden Bevölkerung dezentrale und ressourcenorientierte Systeme im ländlichen Raum eine Alternative darstellen. Zur Begleitung von Transformationsprozessen ist die Verwendung einer adäquaten Methodik zum Aufzeigen von verschiedenen Systemalternativen (z.B. mathematische Optimierung) zielführend.

Berufliche Umbrüche annehmen und gestalten - Umgang mit berufsbiografischer Diskontinuität im mittleren Erwachsenenalter als gelingender Beitrag zur Identitätsentwicklung (2018)

Geisel, Volker

Berufliche Umbrüche sind Teil der Entwicklung eines Menschen. Sie berühren auch seine Persönlichkeit und seine Identität. Wann kann man von gelingender Identitätsentwicklung sprechen? Woran lässt sich diese festmachen? Kann berufsbiografische Diskontinuität einen gelingenden Beitrag zur Identitätsentwicklung darstellen? Und wenn ja, wie? Was bedeutet es, berufliche Umbrüche nicht nur anzunehmen, sondern auch zu gestalten, damit sie einen positiven Beitrag zur Identitätsentwicklung leisten? Welche Faktoren sind dafür förderlich? Und wie sollten diese Erkenntnisse in der erwachsenenbildnerischen Praxis berücksichtigt werden? Die Arbeit nimmt zunächst den Begriff der Identität in den Blick und wendet sich besonders dem Begriff der Anerkennung zu. Nach Betrachtungen zum Zusammenhang von Identität und Erwerbsarbeit sowie einem Überblick über die Phasen von Erwerbsbiografien werden erwachsenenpädagogische Überlegungen angestellt, die für Transitionsprozesse benötigte Kompetenzen ins Zentrum stellen und Konsequenzen für die Arbeit in Einrichtungen der Erwachsenenbildung darstellen.

Metabolic channeling during phycoerythrobilin biosynthesis. (2018)

Aras, Marco

The transfer of substrates between to enzymes within a biosynthesis pathway is an effective way to synthesize the specific product and a good way to avoid metabolic interference. This process is called metabolic channeling and it describes the (in-)direct transfer of an intermediate molecule between the active sites of two enzymes. By forming multi-enzyme cascades the efficiency of product formation and the flux is elevated and intermediate products are transferred and converted in a correct manner by the enzymes. During tetrapyrrole biosynthesis several substrate transfer events occur and are prerequisite for an optimal pigment synthesis. In this project the metabolic channeling process during the pink pigment phycoerythrobilin (PEB) was investigated. The responsible ferredoxin-dependent bilin reductases (FDBR) for PEB formation are PebA and PebB. During the pigment synthesis the intermediate molecule 15,16-dihydrobiliverdin (DHBV) is formed and transferred from PebA to PebB. While in earlier studies a metabolic channeling of DHBV was postulated, this work revealed new insights into the requirements of this protein-protein interaction. It became clear, that the most important requirement for the PebA/PebB interaction is based on the affinity to their substrate/product DHBV. The already high affinity of both enzymes to each other is enhanced in the presence of DHBV in the binding pocket of PebA which leads to a rapid transfer to the subsequent enzyme PebB. DHBV is a labile molecule and needs to be rapidly channeled in order to get correctly further reduced to PEB. Fluorescence titration experiments and transfer assays confirmed the enhancement effect of DHBV for its own transfer. More insights became clear by creating an active fusion protein of PebA and PebB and comparing its reaction mechanism with standard FDBRs. This fusion protein was able to convert biliverdin IXα (BV IXα) to PEB similar to the PebS activity, which also can convert BV IXα via DHBV to PEB as a single enzyme. The product and intermediate of the reaction were identified via HPLC and UV-Vis spectroscopy. The results of this work revealed that PebA and PebB interact via a proximity channeling process where the intermediate DHBV plays an important role for the interaction. It also highlights the importance of substrate channeling in the synthesis of PEB to optimize the flux of intermediates through this metabolic pathway.

Kationische Cyclopentadienyleisenarenkomplexe - Synthese und Anwendung in der Katalyse (2018)

Eger, Tobias Richard

Im Fokus dieser Promotionsarbeit stand die Synthese neuer kationischer Eisenkomplexe, die sowohl einen Cyclopentadienyl-, als auch einen Phenylliganden besitzen. Der Sechsringligand wurde dabei mit stickstoff- oder phosphorhaltigen Substituenten funktionalisiert. Dabei konnten erstmals Eisenarenkomplexe mit Azidobenzolliganden isoliert und charakterisiert werden. Die Umsetzung mit heterocyclischen Nucleophilen zeigte bei den 1,2,3-Triazolen die Möglichkeit in 1- und 2-Position eine Bindungsknüpfung einzugehen. Dies konnte durch die Verwendung von Imidazolidsalzen umgangen werden und so konnte eine Reihe mono- und disubstituierter Eisenkomplexe mit Methylimidazol und Benzimidazol synthetisiert werden. Durch Alkylierung und Benzylierung gelang auf diesem Weg der Zugang zu di- und trikationischen Eisenarenkomplexen, welche die Vorstufe zu NHC-Komplexen bilden. Für die Funktionalisierung mit phosphorhaltigen Gruppen konnte ein Syntheseweg erarbeitet und auf disubstituierte Komplexe übertragen werden. Es gelang durch die Koordination von Gold einen kationischen heterobimetallischen Komplex zu synthetisieren und vollständig zu charakterisieren. Dieser zeigte in mehreren Cyclisierungsreaktionen hohe katalytische Aktivität, welche über der literaturbekannter Katalysatoren lag. Mitunter konnten vergleichbare Umsätze unter milderen Bedingungen erzielt werden.

Consistency Issues in Funding, Recruitment and Customer Acquisition Processes in Entrepreneurial Firms (2018)

Stumpf, Christian

This thesis consists of five chapters. Chapter one elaborates on the principle of cognitive consistency and provides an overview of what extant research refers to as cognitive consistency theories (e.g., Abelson et al., 1968; Harmon-Jones & Harmon-Jones, 2007; Simon, Stenstrom, & Read, 2015). Moreover, it describes the most prominent theoretical representatives in this context, namely balance theory (Heider, 1946, 1958), congruity theory (Osgood & Tannenbaum, 1955), and cognitive dissonance theory (Festinger, 1957). Chapter one further outlines the role of individuals’ preference for cognitive consistency in the context of financial resource acquisition, the recruitment of employees and the acquisition of customers in the entrepreneurial context. Chapter two is co-authored by Prof. Dr. Matthias Baum and presents two separate studies in which we empirically investigate the hypothesis that social entrepreneurs face a systematic disadvantage, compared to for-profit entrepreneurs, when seeking to acquire financial resources. Further, our work goes beyond existing research by introducing biased perceptions as a factor that may constrain social enterprise resource acquisition and therefore possibly stall the process of social value creation. On the foundation of role congruity theory (Eagly & Karau, 2002), we emphasize on the question whether social entrepreneurs provide signals which are less congruent with the stereotype of successful entrepreneurs and, in such, are perceived as less competent. We further test whether such biased competency perceptions feed forward into a lower probability to receive funding. Chapter three is also co-authored by Prof. Dr. Matthias Baum as well as by Eva Henrich. The aim of this chapter is to further our understanding of the early recruitment phase and to contribute to the current debate about how firms should orchestrate their recruitment channels in order to enhance the creation of employer knowledge. We introduce the concept of integrated marketing communication into the recruitment field and examine how the level of consistency regarding job or organization information affects the recall and the recognition of that information. We additionally test whether information consistency among multiple recruitment channels influences information recognition failure quota. Answering this question is important as by failing to remember the source of recruitment information, job seekers may attribute job information to the wrong firm and thus create an incorrect employer knowledge. Chapter four, which is co-authored by Prof. Dr. Matthias Baum, introduces customer congruity perceptions between a brand and a reward in the context of customer referral programs as an essential driver of the effectiveness of such programs. More precisely, we posit and empirically test a model according to which the decision-making process of the customer recommending a firm involves multiple mental steps and assumes reward perceptions to be an immediate antecedent of brand evaluation, which then, ultimately shapes the likelihood of recommendation. The level of congruity/incongruity is set up as an antecedent state and affects the perceived attractiveness of the reward. Our work contributes to the discussion on the optimal level of congruity between a prevailing schema in the mind of the customer and a stimulus presented. In addition, chapter four introduces customer referral programs as a strategic tool for brand managers. Chapter four is further published in Psychology & Marketing. Chapter five first proposes that marketing strategies specifically designed to induce word-of-mouth (WOM) behavior are particular relevant for new ventures. Against the background that previous research suggests that customer perceptions of young firm age may influence customer behavior and the degree to which customers support new ventures (e.g., Choi & Shepherd, 2005; Stinchcombe, 1965), we secondly conduct an experiment to examine the causal mechanisms linking firm age and customer WOM. Chapter five, too, is co-authored by Prof. Dr. Matthias Baum.

Improved early in vitro prediction of drug-induced liver injury in man: assessment of novel 3D hepatic models (2018)

Johann, Esther

Increasing costs due to the rising attrition of drug candidates in late developmental phases alongside post-marketing withdrawal of drugs challenge the pharmaceutical industry to further improve their current preclinical safety assessment strategies. One of the most common reasons for the termination of drug candidates is drug induced hepatotoxicity, which more often than not remains undetected in early developmental stages, thus emphasizing the necessity for improved and more predictive preclinical test systems. One reason for the very limited value of currently applied in vitro test systems for the detection of potential hepatotoxic liabilities is the lack of organotypic and tissue-specific physiology of hepatocytes cultured in ordinary monolayer culture formats. The thesis at hand primarily deals with the evaluation of both two- and three-dimensional cell culture approaches with respect to their relative ability to predict the hepatotoxic potential of drug candidates in early developmental phases. First, different hepatic cell models, which are routinely used in pharmaceutical industry (primary human hepatocytes as well as the three cell lines HepG2, HepaRG and Upcyte hepatocytes), were investigated in conventional 2D monolayer culture with respect to their ability to detect hepatotoxic effects in simple cytotoxicity studies. Moreover, it could be shown that the global protein expression levels of all cell lines substantially differ from that of primary human hepatocytes, with the least pronounced difference in HepaRG cells. The introduction of a third dimension through the cultivation of spheroids enables hepatocytes to recapitulate their typical native polarity and furthermore dramatically increases the contact surface of adjacent cells. These differences in cellular architecture have a positive influence on hepatocyte longevity and the expression of drug metabolizing enzymes and transporters, which could be proven via immunofluorescent (IF) staining for at least 14 days in PHH and at least 28 days in HepaRG spheroids, respectively. Additionally, the IF staining of three different phase III transporters (MDR1, MRP2 and BSEP) indicated a bile canalicular network in spheroids of both cell models. A dose-dependent inducibility of important cytochrome P450 isoenzymes in HepaRG spheroids could be shown on the protein level via IF for at least 14 days. CYP inducibility of HepaRG cells cultured in 2D and 3D was compared on the mRNA level for up to 14 days and inducibility was generally lower in 3D compared to 2D under the conditions of this study. In a comparative cytotoxicity study, both PHH and HepaRG spheroids as well as HepaRG monolayers have been treated with five hepatotoxic drugs for up to 14 days and viability was measured at three time points (days 3, 7 and 14). A clear time- and dose-dependent onset of the drug-induced hepatotoxic effects was observable in all conditions tested, indicated by a shift of the respective EC50 value towards lower doses by increasing exposure. The observed effects were most pronounced in PHH spheroids, thus indicating those as the most sensitive cell model in this study. Moreover, HepaRG cells were more sensitive in spheroid culture compared to monolayers, which suggests a potential application of spheroids as long-term test system for the detection of hepatotoxicities with slow onset. Finally, the basal protein expression levels of three antigens (CYP1A2, CYP3A4 and NAT 1/2) were analyzed via Western Blotting in HepaRG cells cultured in three different cell culture formats (2D, 3D and QV) in order to estimate the impact of the cell culture conditions on protein expression levels. In the QV system enables a pump-driven flow of cell culture media, which introduces both mechanical stimuli through shear and molecular stimuli through dynamic circulation to the monolayer. Those stimuli resulted in a clearly positive effect on the expression levels of the selected antigens by an increased expression level in comparison to both 2D and 3D. In contrast, HepaRG spheroids showed time-dependent differences with the overall highest levels at day 7. The studies presented in this thesis delivered valuable information on the increased physiological relevance in dependence on the cell culture format: three-dimensionality as well as the circulation of media lead to a more differentiated phenotype in hepatic cell models. Those cell culture formats are applicable in preclinical drug development in order to obtain more relevant information at early developmental stages and thus help to create a more efficient drug development process. Nonetheless, further studies are necessary to thoroughly characterize, validate and standardize such novel cell culture approaches prior to their routine application in industry.

Endbericht zur wissenschaftlichen Begleitung und Evaluierung der Zukunftsinitiative „Starke Kommunen – Starkes Land“ (2018)

Steinebach, Gerhard ; Gilcher, Elena ; Felz, Carsten

In Rheinland-Pfalz hinterlässt der demografische Wandel insbesondere in den ländlichen Regionen seine Spuren und die Gesellschaft wird „älter, bunter, weniger“. Ministerpräsidentin Malu Dreyer verdeutlichte bereits in ihrer Regierungserklärung 2013, dass auch die Förderpolitik des Landes neu ausgerichtet werden muss, um den Herausforderungen des demografischen Wandels frühzeitig begegnen zu können. Dabei sind die stärkere Zusammenarbeit der Kommunen sowie die gemeinsame Erarbeitung von überörtlichen Entwicklungskonzepten notwendig, um den gemeinsamen Bedürfnissen Rechnung tragen zu können. Die Entwicklungskonzepte sollen auf Basis von moderierten Beteiligungsprozessen entstehen, da die Bürgerinnen und Bürger am besten wissen, wie sich die Bedarfe in einer Region aufgrund des demografischen Wandels ändern. In diesem Zusammenhang startete das Land Rheinland-Pfalz im Jahr 2013 die Zukunftsinitiative „Starke Kommunen – Starkes Land“, welche ein 30-monatiges landesweites Beratungs- und Begleitprojekt darstellte. Der Wettbewerb im Jahr 2013 richtete sich an die Verbandsgemeinden und verbandsfreien Gemeinden in Rheinland-Pfalz, an dessen Ende sechs Modellräume ausgewählt wurden. In diesen wurden Möglichkeiten von Bürgerbeteiligungen und langfristiger interkommunaler Zusammenarbeit auf Verbandsgemeinde-Ebene erprobt und ausgewertet. Prof. Steinebach und das Team begleiteten die Zukunftsinitiative wissenschaftlich. Der Aufgabenbereich umfasste dabei die Evaluierung der organisatorischen Struktur und des Projektaufbaus, die Analyse der inhaltlichen Themenfelder sowie die Untersuchung und Bewertung der interkommunalen Kooperation. Am Ende der wissenschaftlichen Begleitung wurden die Ergebnisse aufgearbeitet und Handlungsempfehlungen gegeben. Daraus sollen Rückschlüsse für die Förderpolitik des Landes gezogen werden. Im Zeitraum von März bis Mai 2017 wurde eine Evaluierung der Zukunftsinitiative durchgeführt. Diese ist im Download enthalten.

Integrated Multi-Object Tracking and Classification for Vehicle Environment Perception (2018)

Nageswaran, Ganesh

Road accidents remain as one of the major causes of death and injuries globally. Several million people die every year due to road accidents all over the world. Although the number of accidents in European region have reduced in the past years, road safety still remains a major challenge. Especially in case of commercial trucks, due to the size and load of the vehicle, even minor collisions with other road users would lead to serious injuries or death. In order to reduce number of accidents, automotive industry is rapidly developing advanced driver assistance systems (ADAS) and automated driving technologies. Efficient and reliable solutions are required for these systems to sense, perceive and react to different environmental conditions. For vehicle safety applications such as collision avoidance with vulnerable road users (VRUs), it is not only important for the system to efficiently detect and track the objects in the vicinity of the vehicle but should also function robustly. An environment perception solution for application in commercial truck safety systems and for future automated driving is developed in this work. Thereby a method for integrated tracking and classification of road users in the near vicinity of the vehicle is formulated. The drawbacks in conventional multi-object tracking algorithms with respect to state, measurement and data association uncertainties have been addressed with the recent advancements in the field of unified multi-object tracking solutions based on random finite sets (RFS). Gaussian mixture implementation of the recently developed labeled multi-Bernoulli (LMB) filter [RSD15] is used as the basis for multi-object tracking in this work. Measurement from an high-resolution radar sensor is used as the main input for detecting and tracking objects. On one side, the focus of this work is on tracking VRUs in the near vicinity of the truck. As it is beneficial for most of the vehicle safety systems to also know the category that the object belongs to, the focus on the other side is also to classify the road users. All the radar detections believed to originate from a single object are clustered together with help of density based spatial clustering for application with noise (DBSCAN) algorithm. Each cluster of detections would have different properties based on the respective object characteristics. Sixteen distinct features based on radar detections, that are suitable for separating pedestrians, bicyclists and passenger car categories are selected and extracted for each of the cluster. A machine learning based classifier is constructed, trained and parameterised for distinguishing the road users based on the extracted features. The class information derived from the radar detections can further be used by the tracking algorithm, to adapt the model parameters used for precisely predicting the object motion according to the category of the object. Multiple model labeled multi-Bernoulli filter (MMLMB) is used for modelling different object motions. Apart from the detection level, the estimated state of an object on the tracking level also provides information about the object class. Both these informations are fused using Dempster-Shafer theory (DST) of evidence, based on respective class probabilities Thereby, the output of the integrated tracking and classification with MMLMB filter are classified tracks that can be used by truck safety applications with better reliability. The developed environment perception method is further implemented as a real-time prototypical system on a commercial truck. The performance of the tracking and classification approaches are evaluated with the help of simulation and multiple test scenarios. A comparison of the developed approaches to a conventional converted measurements Kalman filter with global nearest neighbour association (CMKF-GNN) shows significant advantages in the overall accuracy and performance.

Mobility Improves the Security of Location Awareness in Wireless Networks (2018)

Schäfer, Matthias

Mobility has become an integral feature of many wireless networks. Along with this mobility comes the need for location awareness. A prime example for this development are today’s and future transportation systems. They increasingly rely on wireless communications to exchange location and velocity information for a multitude of functions and applications. At the same time, the technological progress facilitates the widespread availability of sophisticated radio technology such as software-defined radios. The result is a variety of new attack vectors threatening the integrity of location information in mobile networks. Although such attacks can have severe consequences in safety-critical environments such as transportation, the combination of mobility and integrity of spatial information has not received much attention in security research in the past. In this thesis we aim to fill this gap by providing adequate methods to protect the integrity of location and velocity information in the presence of mobility. Based on physical effects of mobility on wireless communications, we develop new methods to securely verify locations, sequences of locations, and velocity information provided by untrusted nodes. The results of our analyses show that mobility can in fact be exploited to provide robust security at low cost. To further investigate the applicability of our schemes to real-world transportation systems, we have built the OpenSky Network, a sensor network which collects air traffic control communication data for scientific applications. The network uses crowdsourcing and has already achieved coverage in most parts of the world with more than 1000 sensors. Based on the data provided by the network and measurements with commercial off-the-shelf hardware, we demonstrate the technical feasibility and security of our schemes in the air traffic scenario. Moreover, the experience and data provided by the OpenSky Network allows us to investigate the challenges for our schemes in the real-world air traffic communication environment. We show that our verification methods match all requirements to help secure the next generation air traffic system.

Web-Based Reference Software For Characterisation Of Surface Roughness (2018)

Alapurath George, Bini

This research explores the development of web based reference software for characterisation of surface roughness for two-dimensional surface data. The reference software used for verification of surface characteristics makes the evaluation methods easier for clients. The algorithms used in this software are based on International ISO standards. Most software used in industrial measuring instruments may give variations in the parameters calculated due to numerical changes in calculation. Such variations can be verified using the proposed reference software. The evaluation of surface roughness is carried out in four major steps: data capture, data align, data filtering and parameter calculation. This work walks through each of these steps explaining how surface profiles are evaluated by pre-processing steps called fitting and filtering. The analysis process is then followed by parameter evaluation according to DIN EN ISO 4287 and DIN EN ISO 13565-2 standards to extract important information from the profile to characterise surface roughness.

Emerging Trends in Logistics: New Models and Algorithms for Vehicle Routing (2018)

Goeke, Dominik

This thesis studies recent trends in logistics that are driven by technological advancements, organizational transformation, and changing customer behavior. Heuristic and Exact Algorithms are developed to solve central vehicle routing problems arising in this context.

Advanced techniques for the semi automatic transition from simulation to design software (2018)

Sagebaum, Max

If gradient based derivative algorithms are used to improve industrial products by reducing their target functions, the derivatives need to be exact. The last percent of possible improvement, like the efficiency of a turbine, can only be gained if the derivatives are consistent with the solution process that is used in the simulation software. It is problematic that the development of the simulation software is an ongoing process which leads to the use of approximated derivatives. If a derivative computation is implemented manually, it will be inconsistent after some time if it is not updated. This thesis presents a generalized approach which differentiates the whole simulation software with Algorithmic Differentiation (AD), and guarantees a correct and consistent derivative computation after each change to the software. For this purpose, the variable tagging technique is developed. The technique checks at run-time if all dependencies, which are used by the derivative algorithms, are correct. Since it is also necessary to check the correctness of the implementation, a theorem is developed which describes how AD derivatives can be compared. This theorem is used to develop further methods that can detect and correct errors. All methods are designed such that they can be applied in real world applications and are used within industrial configurations. The process described above yields consistent and correct derivatives but the efficiency can still be improved. This is done by deriving new derivative algorithms. A fixed-point iterator approach, with a consistent derivation, yields all state of the art algorithms and produces two new algorithms. These two new algorithms include all implementation details and therefore they produce consistent derivative results. For detecting hot spots in the application, the state of the art techniques are presented and extended. The data management is changed such that the performance of the software is affected only marginally when quantities, like the number of input and output variables or the memory consumption, are computed for the detection. The hot spots can be treated with techniques like checkpointing or preaccumulation. How these techniques change the time and memory consumption is analyzed and it is shown how they need to be used in selected AD tools. As a last step, the used AD tools are analyzed in more detail. The major implementation strategies for operator overloading AD tools are presented and implementation improvements for existing AD tools are discussed.\ The discussion focuses on a minimal memory consumption and makes it possible to compare AD tools on a theoretical level. The new AD tool CoDiPack is based on these findings and its design and concepts are presented. The improvements and findings in this thesis make it possible, that an automatic, consistent and correct derivative is generated in an efficient way for industrial applications.

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern 2018.08 (2018)

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern Nr. 8/27.09.2018

Heterogenität gerecht werden – Einführung der Jahrgangsmischung in der Schuleingangsphase als Schulentwicklungsprozess (2018)

Mayr, Thomas

Die Arbeit stellt in Form eines Theorie-Praxis-Transfers eine Möglichkeit dar, der zunehmenden Heterogenität in der Schuleingangsphase durch die Bildung jahrgangsgemischter Klassen Rechnung zu tragen. Es werden Voraussetzungen, Mittel, Wege und Stolpersteine dargestellt und besonders die Aufgaben der Schulleitung als Verantwortliche des Schulentwicklungsprozesses dargestellt.

Expression of functional inhibitory neurotransmitter transporters GlyT1, GAT-1, and GAT-3 by astrocytes of inferior colliculus and hippocampus (2018)

Ghirardini, Elsa ; Wadle, Simon Lothar ; Augustin, Vanessa ; Becker, Jasmin ; Brill, Sina ; Hammerich, Julia ; Seifert, Gerald ; Stephan, Jonathan

Neuronal inhibition is mediated by glycine and/or GABA. Inferior colliculus (IC) neurons receive glycinergic and GABAergic inputs, whereas inhibition in hippocampus (HC) predominantly relies on GABA. Astrocytes heterogeneously express neurotransmitter transporters and are expected to adapt to the local requirements regarding neurotransmitter homeostasis. Here we analyzed the expression of inhibitory neurotransmitter transporters in IC and HC astrocytes using whole-cell patch-clamp and single-cell reverse transcription-PCR. We show that most astrocytes in both regions expressed functional glycine transporters (GlyTs). Activation of these transporters resulted in an inward current (IGly) that was sensitive to the competitive GlyT1 agonist sarcosine. Astrocytes exhibited transcripts for GlyT1 but not for GlyT2. Glycine did not alter the membrane resistance (RM) arguing for the absence of functional glycine receptors (GlyRs). Thus, IGly was mainly mediated by GlyT1. Similarly, we found expression of functional GABA transporters (GATs) in all IC astrocytes and about half of the HC astrocytes. These transporters mediated an inward current (IGABA) that was sensitive to the competitive GAT-1 and GAT-3 antagonists NO711 and SNAP5114, respectively. Accordingly, transcripts for GAT-1 and GAT-3 were found but not for GAT-2 and BGT-1. Only in hippocampal astrocytes, GABA transiently reduced RM demonstrating the presence of GABAA receptors (GABAARs). However, IGABA was mainly not contaminated by GABAAR-mediated currents as RM changes vanished shortly after GABA application. In both regions, IGABA was stronger than IGly. Furthermore, in HC the IGABA/IGly ratio was larger compared to IC. Taken together, our results demonstrate that astrocytes are heterogeneous across and within distinct brain areas. Furthermore, we could show that the capacity for glycine and GABA uptake varies between both brain regions.

Reformen auf Ebene der Schulbehörde und der Schule (2018)

Zimmermann, Jan

Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit ist die Darstellung von wissenschaftlichen Erkenntnissen der Organisationstheorie und der educational governance Forschung über das Entstehen von öffentlichen Verwaltungen sowie deren Ansätze zur Reformierung. Die öffentliche Bildungsverwaltung in Niedersachsen wird an diese Erkenntnisse angelehnt und der Stand der Bildungsreform an den theoretischen Erkenntnissen gemessen. Ebenso wird das Geflecht der unterschiedlichen behördlichen Ebenen näher beleuchtet sowie deren Funktionalitäten bzw. Dysfunkionalitäten analysiert.

Optimal Control and Asymptotic Analysis of the Cattaneo Model (2018)

Blauth, Sebastian

Optimal control of partial differential equations is an important task in applied mathematics where it is used in order to optimize, for example, industrial or medical processes. In this thesis we investigate an optimal control problem with tracking type cost functional for the Cattaneo equation with distributed control, that is, $\tau y_{tt} + y_t - \Delta y = u$. Our focus is on the theoretical and numerical analysis of the limit process $\tau \to 0$ where we prove the convergence of solutions of the Cattaneo equation to solutions of the heat equation. We start by deriving both the Cattaneo and the classical heat equation as well as introducing our notation and some functional analytic background. Afterwards, we prove the well-posedness of the Cattaneo equation for homogeneous Dirichlet boundary conditions, that is, we show the existence and uniqueness of a weak solution together with its continuous dependence on the data. We need this in the following, where we investigate the optimal control problem for the Cattaneo equation: We show the existence and uniqueness of a global minimizer for an optimal control problem with tracking type cost functional and the Cattaneo equation as a constraint. Subsequently, we do an asymptotic analysis for $\tau \to 0$ for both the forward equation and the aforementioned optimal control problem and show that the solutions of these problems for the Cattaneo equation converge strongly to the ones for the heat equation. Finally, we investigate these problems numerically, where we examine the different behaviour of the models and also consider the limit $\tau \to 0$, suggesting a linear convergence rate.

Bericht über das Geschäftsjahr 2017 (2018)

Der Bericht beinhaltet die Punkte "Informationstechnik und digitale Bibliothekstechnik" "Literatur- und Sachmittel", "Bewirtschaftung", "Medienbearbeitung", "Benutzung" und "Personelle Änderungen" innerhalb der Universitätsbibliothek Kaiserslautern für das Jahr 2017.

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern 2018.07 (2018)

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern Nr. 7/17.09.2018

Anerkennung in der Erwachsenenbildung.Die Gestaltung von Anerkennungsverhältnissen in Kontexten der Erwachsenenbildung mit besonderer Berücksichtigung von emotionaler Kompetenz und Kommunikationskompetenz. (2018)

Pierus, Andrea

Kapitel eins fokussiert auf die Forschungsfragen und Bezugstheorien der vorliegenden Arbeit. In Kapitel zwei geht es um die Darstellung des Anerkennungsbegriffs, Überlegungen zur Entwicklung von Anerkennungsverhältnissen und die drei für diese Arbeit wesentlichen Anerkennungstheorien von Wolfgang Müller-Commichau, Axel Honneth und Werner Nothdurft. Kapitel drei ist der 'Emotionalen Kompetenz' gewidmet und umfasst neben Definitionsversuchen die Beschreibung unterschiedlicher Aspekte emotionaler Kompetenz, die Darstellung der Begriffe Empathie, Verstehensfähigkeit, Introspektions- und Selbstreflexionsfähigkeit – Eigenschaften, die sowohl für die Suche als auch für das Geben von Anerkennung Bedeutung haben und schließt mit Überlegungen zur Förderung emotionaler Kompetenz in Kontexten der Erwachsenenbildung. In Kapitel vier gerät die Kommunikationsfähigkeit/Gesprächskompetenz in den Fokus. Nach einer Beschreibung der Begriffe werden Fragen dazu, wie gelingende Gespräche, wie ein verstehender Dialog aussehen könnte, thematisiert und wie Kommunikationsfähigkeit/ Gesprächskompetenz in erwachsenenpädagogischen Settings weiterentwickelt werden könnte. Kapitel fünf stellt anerkennende pädagogische Beziehungsgestaltungen ins Zentrum der Betrachtung. In den Fokus gelangen wechselseitige Anerkennungsverhältnisse (Beispiel Anerkennungsskulptur) und die bejahende/ ermöglichende bzw. begrenzende Perspektive (Verkennung, Missverstehen, ausbleibende Anerkennung) von Anerkennung. Kapitel sechs bringt eine Zusammenfassung der Ergebnisse, die in ihrer Relevanz für die Gestaltung von Anerkennungsverhältnissen in Kontexten der Erwachsenenbildung dargestellt werden. Am Ende des Kapitels geht es um Überlegungen zu einer Kultur der Anerkennung, um Anerkennung als Haltung. Das Schlusskapitel sieben bringt ein Resümee und einen Ausblick mit neuen Forschungsfragen zum Thema Anerkennung.

Understanding Processes in Recruitment - A Closer Look at Perceptions and Pre-Hire Outcomes (2018)

Überschaer, Anja

The aim of this dissertation is to explain processes in recruitment by gaining a better understanding of how perceptions evolve and how recruitment outcomes and perceptions are influenced. To do so, this dissertation takes a closer look at the formation of fit perceptions, the effects of top employer awards on pre-hire recruitment outcomes, and on how perceptions about external sources are influenced.

Design and Analysis of Adaptive Caching Techniques for Internet Content Delivery (2018)

Berger, Daniel S.

Fast Internet content delivery relies on two layers of caches on the request path. Firstly, content delivery networks (CDNs) seek to answer user requests before they traverse slow Internet paths. Secondly, aggregation caches in data centers seek to answer user requests before they traverse slow backend systems. The key challenge in managing these caches is the high variability of object sizes, request patterns, and retrieval latencies. Unfortunately, most existing literature focuses on caching with low (or no) variability in object sizes and ignores the intricacies of data center subsystems. This thesis seeks to fill this gap with three contributions. First, we design a new caching system, called AdaptSize, that is robust under high object size variability. Second, we derive a method (called Flow-Offline Optimum or FOO) to predict the optimal cache hit ratio under variable object sizes. Third, we design a new caching system, called RobinHood, that exploits variances in retrieval latencies to deliver faster responses to user requests in data centers. The techniques proposed in this thesis significantly improve the performance of CDN and data center caches. On two production traces from one of the world's largest CDN AdaptSize achieves 30-91% higher hit ratios than widely-used production systems, and 33-46% higher hit ratios than state-of-the-art research systems. Further, AdaptSize reduces the latency by more than 30% at the median, 90-percentile and 99-percentile. We evaluate the accuracy of our FOO analysis technique on eight different production traces spanning four major Internet companies. We find that FOO's error is at most 0.3%. Further, FOO reveals that the gap between online policies and OPT is much larger than previously thought: 27% on average, and up to 43% on web application traces. We evaluate RobinHood with production traces from a major Internet company on a 50-server cluster. We find that RobinHood improves the 99-percentile latency by more than 50% over existing caching systems. As load imbalances grow, RobinHood's latency improvement can be more than 2x. Further, we show that RobinHood is robust against server failures and adapts to automatic scaling of backend systems. The results of this thesis demonstrate the power of guiding the design of practical caching policies using mathematical performance models and analysis. These models are general enough to find application in other areas of caching design and future challenges in Internet content delivery.

Kontinuierliches Ultraschall-Preformen zur Fertigung von CFK-Bauteilen in der Luftfahrt (2017)

Neumann, Ulf, Henning

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und Beurteilung einer alternativen kontinuierlichen Preform-Technologie zur Vorstabilisierung von trockenen Kohlenstofffaserhalbzeugen unter Verwendung der Ultraschall-Schweiß-Technologie für Kunststoffe präsentiert. Aktuell verwendete Technologien für Großbauteile in der Luftfahrt sind in der Regel diskontinuierlich und wenig produktiv. Zudem weisen sie Probleme hinsichtlich des gewünschten Kompaktierungsgrades und der Oberflächenqualität auf. Diesen Nachteilen soll durch den Einsatz des kontinuierlichen Ultraschall-Preformens begegnet werden. Innerhalb der Ausarbeitung wurde eine neue Funktionseinheit, die für die Anforderungen in einem kontinuierlichen Preform-Prozess geeignet ist, entwickelt und mit passender Sensorik und Steuerung in einen Versuchsstand integriert. Durch statische Versuche konnte das halbzeugabhängige Aufheizverhalten untersucht werden. Es zeigte sich, dass der Erwärmungsprozess durch Reibung zwischen den Filamenten bestimmt wird und somit einen homogenen Prozess unterstützt. Untersuchungen der Parameter führten zu diskreten und materialabhängigen Prozessfenstern und einem tieferen Verständnis für die Einflüsse des Schweiß-Prozesses auf das Preform-Verhalten. Durch die Betrachtung von Prozessgrenzen konnten unerwünschte Strukturdefekte ausgeschlossen und das Potenzial für die Nutzung verschiedener Materialien sowie für den Einsatz an komplexeren Bauteilen aufgezeigt werden. Weiterhin wurde durch Permeabilitätsuntersuchungen gezeigt, dass es einen materialabhängigen Einfluss des Prozesses auf die Infusionierbarkeit gibt, der sich sowohl als eine Verbesserung als auch eine als Verschlechterung darstellen kann. Durch vibrationsinduzierte Verdichtungsprozesse konnten höhere Faservolumengehalte bei einer gesteigerten Produktivität erzielt werden. Auch eine partielle Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist durch die Anwendung des Ultraschall-Prefom-Verfahrens möglich. Für die Herstellung komplexerer Strukturen eignet sich das Verfahren ebenso, wie an einem Demonstrator gezeigt werden konnte. Geometrische Restriktionen grenzen die Anwendbarkeit allerdings ein. Durch die Entwicklung der Technologie konnte eine vielversprechende Alternative dargelegt werden, die Kosten sparen und Bauteileigenschaften verbessern kann.

A Particle Finite Element Method for Cutting of Solids (2018)

Sabel, Matthias

The simulation of cutting process challenges established methods due to large deformations and topological changes. In this work a particle finite element method (PFEM) is presented, which combines the benefits of discrete modeling techniques and methods based on continuum mechanics. A crucial part of the PFEM is the detection of the boundary of a set of particles. The impact of this boundary detection method on the structural integrity is examined and a relation of the key parameter of the method to the eigenvalues of strain tensors is elaborated. The influence of important process parameters on the cutting force is studied and a comparison to an empirical relation is presented.

Algorithmic Methods for Mixed Hodge Modules (2018)

Rottner, Cornelia

In modern algebraic geometry solutions of polynomial equations are studied from a qualitative point of view using highly sophisticated tools such as cohomology, $D$-modules and Hodge structures. The latter have been unified in Saito’s far-reaching theory of mixed Hodge modules, that has shown striking applications including vanishing theorems for cohomology. A mixed Hodge module can be seen as a special type of filtered $D$-module, which is an algebraic counterpart of a system of linear differential equations. We present the first algorithmic approach to Saito’s theory. To this end, we develop a Gröbner basis theory for a new class of algebras generalizing PBW-algebras. The category of mixed Hodge modules satisfies Grothendieck’s six-functor formalism. In part these functors rely on an additional natural filtration, the so-called $V$-filtration. A key result of this thesis is an algorithm to compute the $V$-filtration in the filtered setting. We derive from this algorithm methods for the computation of (extraordinary) direct image functors under open embeddings of complements of pure codimension one subvarieties. As side results we show how to compute vanishing and nearby cycle functors and a quasi-inverse of Kashiwara’s equivalence for mixed Hodge modules. Describing these functors in terms of local coordinates and taking local sections, we reduce the corresponding computations to algorithms over certain bifiltered algebras. It leads us to introduce the class of so-called PBW-reduction-algebras, a generalization of the class of PBW-algebras. We establish a comprehensive Gröbner basis framework for this generalization representing the involved filtrations by weight vectors.

Handlungsempfehlungen für die Umsetzung des Konzepts außerschulischer Lernorte in der Pflegeausbildung (2018)

Wachsmann, Neele

Bedeutung des Konzepts außerschulischer Lernorte für die Pflegeausbildung, Kompetenzentwicklung durch das Aufsuchen außerschulischer Lernorte, Anwendung des Konzepts außerschulischer Lernorte auf unterschiedliche pflegerelevante Themen, konkrete Umsetzungsstrategien für das Konzept außerschulischer Lernorte in der Pflegeausbildung

Analyzing Centrality Indices in Complex Networks: an Approach Using Fuzzy Aggregation Operators (2018)

Tavassoli, Sude

The identification of entities that play an important role in a system is one of the fundamental analyses being performed in network studies. This topic is mainly related to centrality indices, which quantify node centrality with respect to several properties in the represented network. The nodes identified in such an analysis are called central nodes. Although centrality indices are very useful for these analyses, there exist several challenges regarding which one fits best for a network. In addition, if the usage of only one index for determining central nodes leads to under- or overestimation of the importance of nodes and is insufficient for finding important nodes, then the question is how multiple indices can be used in conjunction in such an evaluation. Thus, in this thesis an approach is proposed that includes multiple indices of nodes, each indicating an aspect of importance, in the respective evaluation and where all the aspects of a node’s centrality are analyzed in an explorative manner. To achieve this aim, the proposed idea uses fuzzy operators, including a parameter for generating different types of aggregations over multiple indices. In addition, several preprocessing methods for normalization of those values are proposed and discussed. We investigate whether the choice of different decisions regarding the aggregation of the values changes the ranking of the nodes or not. It is revealed that (1) there are nodes that remain stable among the top-ranking nodes, which makes them the most central nodes, and there are nodes that remain stable among the bottom-ranking nodes, which makes them the least central nodes; and (2) there are nodes that show high sensitivity to the choice of normalization methods and/or aggregations. We explain both cases and the reasons why the nodes’ rankings are stable or sensitive to the corresponding choices in various networks, such as social networks, communication networks, and air transportation networks.

Nachhaltige Synthese und Derivatisierung von Carbonsäuren (2018)

Krause, Thilo

Im Rahmen dieser Dissertation wurden nachhaltige Konzepte zur selektiven C-C, C-N, und C-S Bindungsknüpfung erarbeitet. Der Fokus lag dabei auf der Entwicklung katalytischer und ressourcenschonender Prozesse, die auf leicht zugänglichen und kostengünstigen Startmaterialien beruhen. Im ersten Teilprojekt gelang es, eine abfallminimierte Eintopfsynthese von Amiden ausgehend von den entsprechenden Ammoniumcarboxylaten und einem niedermolekularen Alkin als Aktivator zu entwickeln. Entscheidend hierbei war die Identifikation eines hochaktiven und stabilen Rutheniumkatalysators, mit dem die Addition des Carboxylates an das Alkin selbst in Gegenwart von Aminen möglich ist. Eine Aminolyse der intermediär gebildeten Enolester liefert im Anschluss die gewünschten Amide zusammen mit einer niedermolekularen und leicht abtrennbaren Carbonylverbindung als einzigem Nebenprodukt. In einem weiteren Projekt gelang es eine carboxylatdirigierte ortho-Arylierung von Benzoesäuren mit kostengünstigen und breit verfügbaren Arylhalogeniden zu entwickeln. Der bei diesem Verfahren eingesetzte Rutheniumkatalysator besticht dabei nicht nur durch seine hohe Aktivität, sondern ist im Vergleich zu bisher genutzten Katalysatoren um ein vielfaches günstiger und erlaubt selbst die Umsetzung von unreaktiveren Arylchloriden. Durch Kombination dieser neu entwickelten Methode mit einer Protodecarboxylierung bzw. einer decarboxylierenden Kreuzkupplung konnte weiterhin die Carboxygruppe als Ankerpunkt für weitere Funktionalisierungsschritte genutzt und so deren Überlegenheit im Vergleich zu anderen dirigierenden Gruppen demonstriert werden. Daneben gelang in einem dritten Teilprojekt, welches zwei thematisch sehr verwandte Unterprojekte umfasst, die Einführung der pharmakologisch bedeutsamen Trifluormethylthiolgruppe in aliphatische Substrate unter Verzicht auf stöchiometrische Mengen an präformierten Metallspezies. Unter Verwendung der lagerstabilen Me4NSCF3 Vorstufe, welche aus den kommerziell erhältlichen Reagenzien Me4NF, elementarem Schwefel und TMS-CF3 zugänglich ist, konnten -Diazoester erstmals mit katalytischen Mengen eines Kupfersalzes zu den entsprechenden trifluormethylthiolierten Produkten umgesetzt werden. Zusätzlich hierzu gelang es, über eine indirekte Reaktionsführung aliphatische Kohlenstoffelektrophile, wie Halogenide oder Mesylate, in einer Eintopfreaktion zunächst zu thiocyanieren und anschließend über einen Langlois-Austausch mit kostengünstigem TMS-CF3 in die entsprechenden trifluormethylthiolierten Spezies umzuwandeln. Beide Verfahren bestechen mit einer hohen Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen und einer deutlichen Reduktion der gebildeten Abfallmengen im Vergleich zu etablierten Verfahren. Im letzten Teilprojekt dieser Arbeit konnte eine abfallfreie Hydroxymethylierung terminaler Alkine unter Nutzung von CO2 als nachhaltigem C1-Baustein realisiert werden. Durch den Einsatz der organischen Base 2,2,6-6-Tetramethylpiperidin werden Phenylacetylenderivate in einem sequentiellen Eintopfverfahren zunächst carboxyliert und im Anschluss daran zu den entsprechenden Alkoholen hydriert, wobei die Base nach der Sequenz wieder freigesetzt und als einziges Nebenprodukt Wasser gebildet wird. Analog dazu gelang es durch die Nutzung von Kaliumphosphat als Base dieses Konzept auch auf die anspruchsvolleren aliphatisch substituierten Alkine zu übertragen. Als Schlüsselschritt dieser Reaktionssequenz gilt eine Veresterung der intermediär gebildeten Kaliumcarboxylate in Methanol unter CO2 Druck. Das zusammen mit dem Produkt gebildete Basengemisch aus Kaliumhydrogencarbonat und Dikaliumhydrogenphosphat kann anschließend durch thermische Behandlung wieder in Wasser, Kohlendioxid und die eingesetzte Base Kaliumphosphat umgewandelt werden, sodass in der Gesamtsequenz lediglich Wasser als Nebenprodukt anfällt.

DTI-Based Multiscale Models for Glioma Invasion (2018)

Hunt, Alexander

Certain brain tumours are very hard to treat with radiotherapy due to their irregular shape caused by the infiltrative nature of the tumour cells. To enhance the estimation of the tumour extent one may use a mathematical model. As the brain structure plays an important role for the cell migration, it has to be included in such a model. This is done via diffusion-MRI data. We set up a multiscale model class accounting among others for integrin-mediated movement of cancer cells in the brain tissue, and the integrin-mediated proliferation. Moreover, we model a novel chemotherapy in combination with standard radiotherapy. Thereby, we start on the cellular scale in order to describe migration. Then we deduce mean-field equations on the mesoscopic (cell density) scale on which we also incorporate cell proliferation. To reduce the phase space of the mesoscopic equation, we use parabolic scaling and deduce an effective description in the form of a reaction-convection-diffusion equation on the macroscopic spatio-temporal scale. On this scale we perform three dimensional numerical simulations for the tumour cell density, thereby incorporating real diffusion tensor imaging data. To this aim, we present programmes for the data processing taking the raw medical data and processing it to the form to be included in the numerical simulation. Thanks to the reduction of the phase space, the numerical simulations are fast enough to enable application in clinical practice.

moodle@RLP – eine Arbeitsplattform zur Verbesserung schulorganisatorischer Arbeitsprozesse? (2018)

Borm, Andreas

Informatorische Systeme finden zunehmend Eingang in Bildungseinrichtungen. „Schulen ans Netz“, eine 2012 abgeschlossene Förderinitiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter Beteiligung der Deutschen Telekom, ist ein Beispiel dafür. Das Land Rheinland-Pfalz stellt mit moodle@RLP Studienseminaren und Schulen eine kostenlose und wartungsfreundliche Lernplattform zur Verfügung. Neben dem Einsatz zu unterrichtlichen Zwecken legt der Verfasser das Augenmerk auf Möglichkeiten zur Optimierung schulorganisatorischer Arbeitsprozesse, zum Beispiel im Hinblick auf die Raum- und Gerätereservierung oder die Archivierung und Katalogisierung von Dokumenten und Unterrichtsmaterialien. Es werden hierzu notwendige Konfigurationseinstellungen erläutert und auf diese Weise eine virtuelle Organisationsstruktur einer Schule realisiert. Ihre Implementierung ist im Rahmen eines Schulentwicklungsprozesses an der IGS Wörth praktisch erprobt worden. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse bilden eine Basis für eine allgemeine, an der Praxis orientierten und theoretisch fundierten Handreichung zur Implementierung von moodle an Schulen. Insgesamt kommt die Studie zu dem Schluss, dass moodle durchaus eine Reihe an Möglichkeiten zur Verbesserung sowohl unterrichtlicher als auch schulorganisatorischer Aspekte besitzt, die jedoch nur dann zielführend ihre Wirkung entfalten können, wenn Schulentwicklungsprozesse erfolgreich durchgeführt werden. Hier kommt der Schulleitung eine Schlüsselrolle zu.

Interkulturelle Kompetenz als pädagogische Schlüsselqualifikation der Erwachsenenbildung (2018)

Brase, Nicola

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Interkulturellen Kompetenz als pädagogische Schlüsselqualifikation in der Erwachsenenbildung. Es werden verschiedene Modelle zur Interkulturellen Kompetenz dargestellt. Der Erwerb Interkultureller Kompetenz wird erläutert und in den erwachsenenpädagogischen Zusammenhang eingeordnet. Es wird der Forschungsfrage nachgegangen, inwieweit die konstruktivistische Erwachsenenbildung und der Emotionale Konstruktivismus den Erwerb Interkultureller Kompetenz von Lehrenden der Erwachsenenbildung unterstützen können. Fünf leitfadengestützte Interviews ergänzen die als Literaturarbeit konzipierte Masterarbeit.

Der Bilanzauffüllungsanspruch als Rechtsfolge bei Verletzung von Bilanzgarantien aus unternehmenspraktischer Sicht (2018)

Nonninger, Ursula

Das „Herzstück der Gewährleistung“ in Unternehmenskaufverträgen bilden die Jahresabschlussgarantien, sog. Bilanzgarantien. Dabei sichert der Verkäufer dem Käufer auf der Tatbestandseite von Bilanzgarantien zu, dass der Jahresabschluss des Zielunternehmens in Übereinstimmung mit den gesetzlichen Vorschriften er-stellt wurde. Das Interesse des Verkäufers besteht darin, nach dem Verkauf des Unternehmens frei über den Kaufpreis verfügen zu können, ohne dass es zu einer Haftungsinanspruchnahme durch den Käufer kommt. Die Arbeit beschäftigt sich aus unternehmenspraktischer und juristischer Sicht mit den Rechtsfolgen bei Ein-tritt des Garantiefalls, insbesondere der Bilanzauffüllung im Lichte des Schadens-rechts der §§ 249 ff. BGB.

Problem Space Matters: Evaluation of a German Enrichment Program for Gifted Children (2018)

Welter, Marisete Maria ; Jaarsveld, Saskia ; Lachmann, Thomas

We studied the development of cognitive abilities related to intelligence and creativity (N = 48, 6–10 years old), using a longitudinal design (over one school year), in order to evaluate an Enrichment Program for gifted primary school children initiated by the government of the German federal state of Rhineland-Palatinate (Entdeckertag Rheinland Pfalz, Germany; ET; Day of Discoverers). A group of German primary school children (N = 24), identified earlier as intellectually gifted and selected to join the ET program was compared to a gender-, class- and IQ- matched group of control children that did not participate in this program. All participants performed the Standard Progressive Matrices (SPM) test, which measures intelligence in well-defined problem space; the Creative Reasoning Task (CRT), which measures intelligence in ill-defined problem space; and the test of creative thinking-drawing production (TCT-DP), which measures creativity, also in ill-defined problem space. Results revealed that problem space matters: the ET program is effective only for the improvement of intelligence operating in well-defined problem space. An effect was found for intelligence as measured by SPM only, but neither for intelligence operating in ill-defined problem space (CRT) nor for creativity (TCT-DP). This suggests that, depending on the type of problem spaces presented, different cognitive abilities are elicited in the same child. Therefore, enrichment programs for gifted, but also for children attending traditional schools, should provide opportunities to develop cognitive abilities related to intelligence, operating in both well- and ill-defined problem spaces, and to creativity in a parallel, using an interactive approach.

Erarbeitung gebietsspezifischer Anwendungsempfehlungen für bi-direktional gekoppelte 1D-2D-Überflutungsberechnungen (2018)

Hürter, Hagen

Vor dem Hintergrund einer Häufung schadensträchtiger Ereignisse in den letzten Jahren und einer zukünftig möglichen Zunahme extremer Niederschläge infolge des Klimawandels sind mittlerweile methodische Ansätze des Risikomanagements im Rahmen einer kommunalen Überflutungsvorsorge etabliert. Zu der dafür erforderlichen ortsbezogenen Analyse konkreter Überflutungsgefährdungen existieren aktuell verschiedene methodische Ansätze unterschiedlicher Komplexität und Aussagekraft. Bestehende Anwendungsempfehlungen und vergleichende Untersuchungen stellen die integrale Berechnung des oberirdischen und unterirdischen Abflusses mithilfe bi-direktional gekoppelter 1D/2D-Abflussmodelle als den methodisch umfassendsten und aussagekräftigsten Ansatz zur Durchführung entsprechender Analysen dar. Die hohe Komplexität dieser Modelle schlägt sich in einer Vielzahl an Einflussgrößen nieder, welche sich auf die Berechnungsergebnisse auswirken können. Zusätzlich ist die Kalibrierung von Modellen zur Überflutungssimulation aufgrund der oftmals fehlenden „Messdaten“ zum realen Überflutungsgeschehen stark begrenzt. Aufgrund fehlender konkreter Vorgaben und Empfehlungen zur Anwendung der Methode bzw. zur Modellkonfiguration ist die Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen und Gefährdungsaussagen derzeit nicht gegeben. Die Ziele der vorliegenden Arbeit sind die Identifizierung und Quantifizierung von Einflussgrößen und die Erarbeitung entsprechender Anwendungsempfehlungen zur Erhöhung der Vergleichbarkeit beim Einsatz bi-direktional gekoppelter 1D/2DAbflussmodelle zur überflutungsbezogenen Gefährdungsanalyse. Für zwei Modellgebiete, die sich hinsichtlich relevanter Gebietseigenschaften stark unterscheiden, wurden bi-direktional gekoppelte 1D/2D-Abflussmodelle mit einer Referenzkonfiguration erstellt und mithilfe von Daten zu historischen Überflutungsereignissen bestmöglich plausibilisiert. Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse an den beiden Referenzmodellen wurde eine große Zahl an Zusammenhängen und Auswirkungen durch Auslenkung relevanter Einflussgrößen identifiziert und quantifiziert. Um eine anwendungsbezogene Einschätzung zu gewährleisten wurden Vergleichsindikatoren entwickelt, die nicht nur die Berücksichtigung berechneter Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten, sondern auch eine Bewertung der Einflussgrößen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Gefährdungsaussage ermöglichen. Anhand der Ergebnisse wurden gebietsspezifische Anwendungsempfehlungen für den Einsatz bi-direktional gekoppelter 1D/2D-Abflussberechnungen zur Gefährdungsanalyse abgeleitet. Die erarbeiteten Anwendungsempfehlungen tragen zu einer Erhöhung der Vergleichbarkeit künftiger Analysen der ortsbezogenen Überflutungsgefährdung bei. Die entwickelte Untersuchungsmethodik kann bei künftigen Ergänzungen oder Konkretisierungen der Anwendungsempfehlungen, z.B. anhand der Untersuchung weiterer Modellgebiete oder neuer Einflussgrößen, eingesetzt werden.

Interplay of coherent and dissipative dynamics in condensates of light (2018)

Radonjić, Milan ; Kopylov, Wassilij ; Balaž, Antun ; Pelster, Axel

Based on the Lindblad master equation approach we obtain a detailed microscopic model of photons in a dye-filled cavity, which features condensation of light. To this end we generalise a recent non-equilibrium approach of Kirton and Keeling such that the dye-mediated contribution to the photon-photon interaction in the light condensate is accessible due to an interplay of coherent and dissipative dynamics. We describe the steady-state properties of the system by analysing the resulting equations of motion of both photonic and matter degrees of freedom. In particular, we discuss the existence of two limiting cases for steady states: photon Bose-Einstein condensate and laser-like. In the former case, we determine the corresponding dimensionless photon-photon interaction strength by relying on realistic experimental data and find a good agreement with previous theoretical estimates. Furthermore, we investigate how the dimensionless interaction strength depends on the respective system parameters.

Calibration sample for arbitrary metrological characteristics of optical topography measuring instruments (2018)

Eifler, Matthias ; Hering, Julian ; von Freymann, Georg ; Seewig, Jörg

Areal optical surface topography measurement is an emerging technology for industrial quality control. However, neither calibration procedures nor the utilization of material measures are standardized. State of the art is the calibration of a set of metrological characteristics with multiple calibration samples (material measures). Here, we propose a new calibration sample (artefact) capable of providing the entire set of relevant metrological characteristics within only one single sample. Our calibration artefact features multiple material measures and is manufactured with two-photon laser lithography (direct laser writing, DLW). This enables a holistic calibration of areal topography measuring instruments with only one series of measurements and without changing the sample.

The deregulated microRNAome contributes to the cellular response to aneuploidy (2018)

Dürrbaum, Milena ; Kruse, Christine ; Nieken, K. Julia ; Habermann, Bianca ; Storchova, Zuzana

Background: Aneuploidy, or abnormal chromosome numbers, severely alters cell physiology and is widespread in cancers and other pathologies. Using model cell lines engineered to carry one or more extra chromosomes, it has been demonstrated that aneuploidy per se impairs proliferation, leads to proteotoxic as well as replication stress and triggers conserved transcriptome and proteome changes. Results: In this study, we analysed for the first time miRNAs and demonstrate that their expression is altered in response to chromosome gain. The miRNA deregulation is independent of the identity of the extra chromosome and specific to individual cell lines. By cross-omics analysis we demonstrate that although the deregulated miRNAs differ among individual aneuploid cell lines, their known targets are predominantly associated with cell development, growth and proliferation, pathways known to be inhibited in response to chromosome gain. Indeed, we show that up to 72% of these targets are downregulated and the associated miRNAs are overexpressed in aneuploid cells, suggesting that the miRNA changes contribute to the global transcription changes triggered by aneuploidy. We identified hsa-miR-10a-5p to be overexpressed in majority of aneuploid cells. Hsa-miR-10a-5p enhances translation of a subset of mRNAs that contain so called 5’TOP motif and we show that its upregulation in aneuploids provides resistance to starvation-induced shut down of ribosomal protein translation. Conclusions: Our work suggests that the changes of the microRNAome contribute on one hand to the adverse effects of aneuploidy on cell physiology, and on the other hand to the adaptation to aneuploidy by supporting translation under adverse conditions. Keywords: Aneuploidy, Cancer, miRNA, miR-10a-5p, Trisomy

Ecophysiological characterization of early successional biological soil crusts in heavily human-impacted areas (2018)

Szyja, Michelle ; Colesie, Claudia ; Büdel, Burkhard

Ecophysiological characterizations of photoautotrophic communities are not only necessary to identify the response of carbon fixation related to different climatic factors, but also to evaluate risks connected to changing environments. In biological soil crusts (BSCs), the description of ecophysiological features is difficult, due to the high variability in taxonomic composition and variable methodologies applied. Especially for BSCs in early successional stages, the available datasets are rare or focused on individual constituents, although these crusts may represent the only photoautotrophic component in many heavily disturbed ruderal areas, such as parking lots or building areas with increasing surface area worldwide. We analyzed the response of photosynthesis and respiration to changing BSC water contents (WCs), temperature and light in two early successional BSCs. We investigated whether the response of these parameters was different between intact BSC and the isolated dominating components. BSCs dominated by the cyanobacterium Nostoc commune and dominated by the green alga Zygogonium ericetorum were examined. A major divergence between the two BSCs was their absolute carbon fixation rate on a chlorophyll basis, which was significantly higher for the cyanobacterial crust. Nevertheless, independent of species composition, both crust types and their isolated organisms had convergent features such as high light acclimatization and a minor and very late-occurring depression in carbon uptake at water suprasaturation. This particular setup of ecophysiological features may enable these communities to cope with a high variety of climatic stresses and may therefore be a reason for their success in heavily disturbed areas with ongoing human impact. However, the shape of the response was different for intact BSC compared to separated organisms, especially in absolute net photosynthesis (NP) rates. This emphasizes the importance of measuring intact BSCs under natural conditions for collecting reliable data for meaningful analysis of BSC ecosystem services.

Innere Lastpunktverschiebung bei Dieselmotoren (2018)

Neugärtner, Jörg

Die vorliegende Ausarbeitung greift die gegenwärte öffentliche Diskussion in Deutschland zu den NOx-Emissionen von Dieselmotoren im realen Fahrbetrieb auf. Anhand von Motoren für leichte Nutzfahrzeuge und „Non Road“ Anwendungen werden konventielle, d.h. bereits verfügbare und in Serie eingeführte Maßnahmen zur Steigerung des Verbrennungsluftverhältnises und damit der Temperaturen des Abgasmassenstroms, mit der inneren Lastpunktverschiebung verglichen. Die Absenkung des Verbrennungsluftverhältnises (λ) wird zur Sicherstellung der Funktion der Abgasnachbehandlung, inbesonders der NOx-Rohemissionen, und zur Darstellung eines ausreichenden Wirkungsgrades der Abgasnachbehandlung bei niedrigen Lasten benötigt. Der urbane Lieferverkehr ist in typischerweise durch den Stop&Go-Betrieb im innenstädtischen Betrieb, mit einem Betrieb bei kleinen Motordrehmomenten und Drehzahlen, sowie mit hohen zeitlichen Leerlaufanteilen verbunden. In diesem Lastbereich sind bei den derzeitigen Motorkonzepten zusätzliche motorische Maßnahmen und neue Konzepte notwendig, um die Einhaltung heutiger und zukünftiger Emissionsvorschriften sowie der Emissiongrenzwerte im realen Fahrbetrieb sicherzustellen. Dazu muss das hohe Verbrennungsluft-verhältnis, das heute der Grund für den niedrigen Kraftstoffverbrauch des Dieselmotors im Vergleich zum Ottomotor ist, abgesenkt werden. Die bisher eingesetzten konv. motorischen Maßnahmen (z.B. die Drosselung) führen zur einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs und damit auch der CO2-Emissionen. Eine bisher nicht verwendete Möglichkeit bzw. Maßnahme zur Reduktion des Verbrennungsluftverhältnisses beim Dieselmotor ist die dynamische Lastpunktverschiebung mittels Zylinderabschaltung. Der größte Teil der Nutzfahrzeuge für den urbanen Personen- und Güterverkehr sowie die Mehrzahl der Arbeitmaschinen sind mit einem Vierzylinder-Dieselmotor ausgestattet. Für diese kleinen Nutzfahrzeugmotoren wird ein neuartiges Motorenkonzept vorgestellt. Das 3up-Motorenkonzept ermöglicht die Steigerung des Verbrennungsluftverhältnisses durch dyn. Lastpunktverschiebung (Zylinderabschaltung) bei signifikant niedrigeren indidzierten Kraftstoffverbrauch (z.B. bis zu – 20%), im Vergleich zu den konv. Maßnahmen zur Steigerung der Abgastemperatur bei Dieselmotoren. Dadurch ist es möglich, im realen Fahrbetrieb, d.h. bei Leerlauf und niedrigen Drehzahlen, bei vergleichbaren Schadstoffrohemissionen nachhaltig den realen Kraftstoffverbrauch zu senken. Die Untersuchungen an den realiserten Konzeptmotoren zeigen die möglichen Verbesserungen bzgl. der Anhebung der Temperatur des Abgasmassenstroms, des Kraftstoffverbrauchs und die notwendigen Anpassungen bei der Realisierung dieses Motorkonzeptes für einen Dieselmotor auf.

Charakterisierung und numerische Beschreibung des nichtlinearen Werkstoff- und Lebensdauerverhaltens eines kurzglasfaserverstärkten Polymerwerkstoffes unter Berücksichtigung der im μCT gemessenen lokalen Faserorientierung (2017)

Bauer, Constantin

Zunehmend strengere Regulierungen der CO2-Emissionen von Neuwagen seitens der europäischen Union erfordern den Einsatz von Leichtbaukonzepten, welche für die Massenproduktion geeignet sind. Dies erfordert den Einsatz leistungsstarker und zugleich kostengünstiger Werkstoffe. Für den breiten Einsatz im Transportbereich werden daher vermehrt kurzglasfaserverstärkte Thermoplaste zur Substitution klassischer Metallkomponenten eingesetzt. Die geringen Werkstoffkosten, die stetig weiterentwickelten mechanischen Eigenschaften sowie die Möglichkeit zur Funktionsintegration aufgrund der hohen Formgebungsfreiheit des Spritzgussprozesses sind entscheidende Vorteile dieser Werkstoffgruppe. Der Spritzgussprozess führt zu einer lokal stark variierenden Faserorientierung. Die Werkstoffeigenschaften hängen dabei entscheidend von der Faserorientierung ab. Besitzt der Werkstoff parallel zur Faserrichtung seine höchste Steifig- und Festigkeit, sind diese quer zur Faserorientierung am niedrigsten. Zusätzlich besitzt die thermoplastische Matrix ein ausgeprägt nichtlineares Werkstoffverhalten, wodurch die strukturmechanische Berechnung kurzfaserverstärkter Bauteile deutlich erschwert wird. Eine geeignete Methodik zur Charakterisierung und numerischen Abbildung des nichtlinearen anisotropen Werkstoffverhaltens mit anschließender Lebensdaueranalyse ist zurzeit nicht vorhanden und bildet das Ziel dieser Arbeit. Der untersuchte Werkstoff findet häufig Einsatz in strukturellen Komponenten im Fahrwerks- und Motorbereich. In diesen Einsatzgebieten ist er zusätzlich zu den mechanischen Lasten auch Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit oder Steinschlägen, ausgesetzt. Im Rahmen der durchgeführten experimentellen Arbeiten wird der Einfluss dieser zusätzlichen einsatzbedingten Lasten auf die statischen Eigenschaften und das Lebensdauerverhalten untersucht. Ist ein Fahrwerksbauteil ganzjährig Wasser und Feuchtigkeit ausgesetzt, kann es in Winterzeiten auch zu Kontakt mit Tausalzlösungen kommen. In Auslagerungsversuchen über einen Zeitraum von etwa einem Jahr wird der Werkstoff folgenden Medien ausgesetzt: Wasser, wässrigem Natriumchlorid und wässrigem Calciumchlorid. Zu verschiedenen Expositionszeiten werden Proben entnommen und statischen Zugversuchen unterzogen. Die Auslagerung bewirkt eine deutliche Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften, welche jedoch durch eine Rücktrocknung im Vakuumofen wieder vollständig hergestellt werden kann. Mithilfe eines speziell entwickelten Prüfstandes wird der Einfluss von Wasser und Calciumchlorid auf das zyklische Werkstoffverhalten untersucht. Dieser Prüfstand erlaubt das Besprühen der Proben während eines Dauerschwingversuches. Eine Reduktion der Lebensdauer aufgrund einer Exposition mit Calciumchlorid kann nicht nachgewiesen werden. Zur Simulation von dauerhaften Mikro-Steinschlägen wird die Oberflächenrauheit von Probekörpern künstlich mittels Sandstrahlen erhöht. Sowohl in den statischen als auch zyklischen Versuchen unter Medieneinfluss kann nur eine geringe Festigkeitsreduktion ermittelt werden. Dies ist auf die Duktilität des Werkstoffes und der damit einhergehenden Unempfindlichkeit gegenüber Kerben zurückzuführen. Moderne Prozesssimulationen können die Faserverteilung in Bauteilen komplexer Geometrie noch nicht realitätsnah abbilden, weshalb in dieser Arbeit die experimentelle Orientierungsanalyse im Mikro-Computertomographen verwendet wird. Neben Probekörpern wird auch eine komplette Fahrwerkskomponente im Mikro-Computertomographen analysiert. Die Orientierungsinformationen finden zur numerischen Beschreibung des Werkstoffverhaltens in der Finite-Elemente-Methode Verwendung. Eine vollständige statische Werkstoffcharakterisierung dient als Grundlage für die komplexe Werkstoffmodellierung. Zur Beschreibung des Lebensdauerverhaltens werden umfangreiche Dauerschwing- und Restfestigkeitsversuche für unterschiedliche Faserorientierungen und Spannungsverhältnisse durchgeführt. Selbstentwickelte Programmroutinen importieren den Faserorientierungstensor jedes FE-Elementes und definieren in Abhängigkeit der Faserrichtung sowie der Faseranteile in die jeweilige Richtung das Werkstoffmodell. Eine inkrementelle Lebensdaueranalyse greift ebenfalls auf selbstentwickelte Routinen zurück und berechnet die ertragbare Schwingspielzahl unter Berücksichtigung einer zyklischen Steifigkeitsdegradation hochbelasteter Elemente und damit einhergehenden Spannungsumlagerungen. Die Routine wird an den zyklisch geprüften Standard- Probekörpern kalibriert und an der bereits erwähnten Fahrwerkskomponente validiert. Für unterschiedliche Lastniveaus und Spannungsverhältnisse werden die Versuchsergebnisse sehr gut durch die entwickelte Berechnungsmethodik abgebildet. Sowohl die ertragbare Schwingspielzahl als auch das Schadensbild der Simulation stimmen mit den Versuchen überein.

Proceedings of the VDE/IEEE Power and Energy Student Summit 2018 (2018)

Wellßow, Wolfram

The Power and Energy Student Summit (PESS) is designed for students, young professionals and PhD-students in the field of power engineering. PESS offers the possibility to gain first experience in presentation, publication and discussion with a renowned audience of specialists. Therefore, the conference is accompanied and supervised by established scientists and experts. The venue changes every year. In 2018, the University of Kaiserslautern held the eighth PESS conference. This document presents the submissions of this conference.

Materialentwicklung und Prozessoptimierung von naturfaserverstärkten Kunststoffen mit geringem Matrixanteil für Automobilanwendungen (2007)

Medina, Luisa

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.

Innere und äußere Einflussgrößen auf die Entwicklung von Bildungsmerkmalen der Kinder- und Jugendsportschulen der DDR während und nach der Wende von 1989/1990 (2018)

Barney, Rüdiger

Das Ziel der Studie war es, die Reaktionen der Protagonisten an den Kinder-und Ju-gendsportschulen der DDR auf die gesellschaftlichen Veränderungen der Wendejahre zu eruieren. Es sollte herausgefunden werden, inwieweit diese Ereignisse die Bildungs-merkmale beeinflussten. Dazu wurden historische Archivdokumente analysiert und in 28 qualitativen Interviews 33 Zeitzeugen befragt. Eine wesentliche Erkenntnis war, dass die Arbeit an den KJS bis in das Jahr 1991 hinein nahezu unverändert fortgeführt wur-de. Durch eine partielle Ausdehnung der Thematik auf die heutigen Eliteschulen des Sports leistet der Text einen Beitrag zur Diskussion über den Leistungssport in Deutsch-land und dessen Spezialschulen. Die Arbeit richtet sich neben Wissenschaftlern an leistungssportlich und bildungspoli-tisch interessierte Eltern, Pädagogen, Trainer und Verantwortungsträger.

Adaptive Strukturoptimierung von Faserkunststoffverbunden unter Berücksichtigung bionischer Aspekte (2006)

Thielemann, Kay

Es finden immer häufiger Faserverbundmaterialien in Strukturbauteilen Anwendung, da bei konventionellen Materialien die Zielkriterien, wie definierte Festigkeit, Steifigkeit, etc. nicht mehr bzw. nicht mit hinreichend geringem Bauteilgewicht erreicht werden können. Angesichts der hohen Kosten ist es verständlich, dass Faserkunststoffverbunde (FKV) vorzugsweise in den Bereichen eingesetzt werden, wo die eingangs erwähnten Optimierungsziele hohe Priorität haben. Besonders hervorzuheben ist hierbei die Luft- und Raumfahrt. Zunehmende Bedeutung gewinnt der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen aber auch in der Automobil- bzw. Maschinenbauindustrie. Mit fortschreitender Verbesserung der Optimierungsmethoden sowie der Fertigungstechnologien und der damit verbundenen Kostenreduktion, werden heute bereits komplexe Module hergestellt. Das zieht wiederum eine lastgerechte und werkstoffspezifische Konstruktion nach sich. Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung eines Topologieoptimierungswerkzeuges zur werkstoffgerechten Auslegung von FKVStrukturen. Ziel ist, FKV - eine Klasse von Hochleistungswerkstoffen, deren Potenzial sich nur mit geeigneten Modellen zur Nutzung ihrer anisotropen Eigenschaften ausschöpfen lässt - unter Berücksichtigung der technischen Realisierbarkeit zu optimieren. Dabei werden natürliche Wachstumsprinzipien in einen iterativen Prozess überführt. Als Ziel dieses Algorithmus kann entweder eine gezielte Steifigkeit oder eine gewichtsoptimale Lösung bei hinreichender Festigkeit mit möglichst gleichmäßiger Spannungsverteilung im Bauteil definiert werden. Erreicht wird dies durch eine effektive Lastverteilung von hoch belasteten auf geringer belastete Bereiche und somit auch die Optimierung der Materialverteilung. In diesem Designvorschlag wird die Grundorientierung der Basisschicht, die kraftflussgerechte Orientierung der Laminateinzellagen sowie die Topologie von Zulagenschichten bzw. des Gesamtlaminates optimiert. Besonders interessant ist die adaptive Strukturoptimierung von FKVStrukturen bei lokalen Zulagen an hoch belasteten Krafteinleitungsstellen bzw. allgemein in Bereichen hoher Spannungen. Wie weiterhin gezeigt wird, ist die entwickelte adaptive Topologie- und Faserwinkeloptimierung in Kombination aus technologischer,werkstoffmechanischer sowie wirtschaftlicher Sicht vorteilhaft und kann problemlos in der Praxis angewandt werden. More and more fibre-reinforced composite materials are being used in structural building components because with conventional materials, the target criteria, such as defined strength, rigidity etc. can no longer be achieved with a sufficiently low weight of the structural components, if at all. In view of the high costs, it is understandable that fibre-reinforced plastic composites tend to be used in technical areas where the optimization goals mentioned above have a high priority. The aviation and aerospace industry deserves special mention here. The use of fibre composite materials is also gaining significance in the automotive and mechanical engineering industry. Thanks to increasing improvements in optimization methods and manufacturing technologies and the reduction in costs that this brings with it, complex modules are being produced even today. This in turn ensures specific-material construction with the necessary load-bearing properties. The objective of the presentation is the development of a topology optimization tool for designing Fibre-plastic-composite (FPC)-structures which is appropriate for each material involved. The objective is to optimize FPC – a class of high-performance materials the potential of which can only be exploited with suitable models for the utilization of their anisotropic properties – under consideration of their capability for technical realization. In doing so, natural growth principles are implemented into an iterative process, thereby enabling computer simulation. The main goal of this algorithm is maximum rigidity with as even a distribution of tension as possible throughout the component, which is achieved by distributing the load from high-load to lower load bearing areas, thereby optimizing the material distribution. The weight optimization of specific components is possible in this way. The basic orientation of the base layer, the orientation of the individual laminate layers in a manner appropriate to the power flux, as well as the topology of bonding layers and/or the entire laminate are optimized in this design recommendation. Of particular interest here is the adaptive structural optimization of FPC structures with localized bonding to high-load bearing load introduction points or generally, in areas with high stresses. As continues to be shown, the developed adaptive topology and fibre angle optimization is beneficial from a technological, material-mechanical and economical point of view, and can be applied in everyday practice without any problems.

Numerical Homogenization for Linear Elasticity in Translation Invariant Spaces (2018)

Merkert, Dennis

Composite materials are used in many modern tools and engineering applications and consist of two or more materials that are intermixed. Features like inclusions in a matrix material are often very small compared to the overall structure. Volume elements that are characteristic for the microstructure can be simulated and their elastic properties are then used as a homogeneous material on the macroscopic scale. Moulinec and Suquet [2] solve the so-called Lippmann-Schwinger equation, a reformulation of the equations of elasticity in periodic homogenization, using truncated trigonometric polynomials on a tensor product grid as ansatz functions. In this thesis, we generalize their approach to anisotropic lattices and extend it to anisotropic translation invariant spaces. We discretize the partial differential equation on these spaces and prove the convergence rate. The speed of convergence depends on the smoothness of the coefficients and the regularity of the ansatz space. The spaces of translates unify the ansatz of Moulinec and Suquet with de la Vallée Poussin means and periodic Box splines, including the constant finite element discretization of Brisard and Dormieux [1]. For finely resolved images, sampling on a coarser lattice reduces the computational effort. We introduce mixing rules as the means to transfer fine-grid information to the smaller lattice. Finally, we show the effect of the anisotropic pattern, the space of translates, and the convergence of the method, and mixing rules on two- and three-dimensional examples. References [1] S. Brisard and L. Dormieux. “FFT-based methods for the mechanics of composites: A general variational framework”. In: Computational Materials Science 49.3 (2010), pp. 663–671. doi: 10.1016/j.commatsci.2010.06.009. [2] H. Moulinec and P. Suquet. “A numerical method for computing the overall response of nonlinear composites with complex microstructure”. In: Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 157.1-2 (1998), pp. 69–94. doi: 10.1016/s00457825(97)00218-1.

Friction and Wear of Nanoparticle Filled Polymer Composites (2005)

Chang, Li

The use of polymers subjected to various tribological situations has become state of the art. Owing to the advantages of self-lubrication and superior cleanliness, more and more polymer composites are now being used as sliding elements, which were formerly composed of metallic materials only. The feature that makes polymer composites so promising in industrial applications is the opportunity to tailor their properties with special fillers. The main aim of this study was to strength the importance of integrating various functional fillers in the design of wear-resistant polymer composites and to understand the role of fillers in modifying the wear behaviour of the materials. Special emphasis was focused on enhancement of the wear resistance of thermosetting and thermoplastic matrix composites by nano-TiO2 particles (with a diameter of 300nm). In order to optimize the content of various fillers, the tribological performance of a series of epoxy-based composites, filled with short carbon fibre (SCF), graphite, PTFE and nano-TiO2 in different proportions and combinations, was investigated. The patterns of frictional coefficient, wear resistance and contact temperature were examined by a pin-on-disc apparatus in a dry sliding condition under different contact pressures and sliding velocities. The experimental results indicated that the addition of nano-TiO2 effectively reduced the frictional coefficient, and consequently the contact temperature, of short-fibre reinforced epoxy composites. Based on scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) observations of the worn surfaces, a positive rolling effect of the nanoparticles between the material pairs was proposed, which led to remarkable reduction of the frictional coefficient. In particular, this rolling effect protected the SCF from more severe wear mechanisms, especially in high sliding pressure and speed situations. As a result, the load carrying capacity of materials was significantly improved. In addition, the different contributions of two solid lubricants, PTFE powders and graphite flakes, on the tribological performance of epoxy nanocomposites were compared. It seems that graphite contributes to the improved wear resistance in general, whereas PTFE can easily form a transfer film and reduce the wear rate, especially in the running-in period. A combination of SCF and solid lubricants (PTFE and graphite) together with TiO2 nanoparticles can achieve a synergistic effect on the wear behaviour of materials. The favourable effect of nanoparticles detected in epoxy composites was also found in the investigations of thermoplastic, e.g. polyamide (PA) 6,6 matrix. It was found that nanoparticles could reduce the friction coefficient and wear rate of the PA6,6 composite remarkably, when additionally incorporated with short carbon fibres and graphite flakes. In particular, the addition of nanoparticles contributed to an obvious enhancement of the tribological performances of the short-fibre reinforced, hightemperature resistant polymers, e.g. polyetherimide (PEI), especially under extreme sliding conditions. A procedure was proposed in order to correlate the contact temperature and the wear rate with the frictional dissipated energy. Based on this energy consideration, a better interpretation of the different performance of distinct tribo-systems is possible. The validity of the model was illustrated for various sliding tests under different conditions. Although simple quantitative formulations could not be expected at present, the study may lead to a fundamental understanding of the mechanisms controlling friction and wear from a general system point of view. Moreover, using the energybased models, the artificial neural network (ANN) approach was applied to the experimental data. The well-trained ANN has the potential to be further used for online monitoring and prediction of wear progress in practical applications. Die Verwendung von Polymeren im Hinblick auf verschiedene tribologische Anwendungen entspricht mittlerweile dem Stand der Technik. Aufgrund der Vorteile von Selbstschmierung und ausgezeichneter Sauberkeit werden polymere Verbundwerkstoffe immer mehr als Gleitelemente genutzt, welche früher ausschließlich aus metallischen Werkstoffen bestanden. Die Besonderheit, die polymere Verbundwerkstoffe so vielversprechend für industrielle Anwendungen macht, ist die Möglichkeit ihre Eigenschaften durch Zugabe von speziellen Füllstoffen maßzuschneidern. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, die Wichtigkeit der Integration verschiedener funktionalisierter Füllstoffe in den Aufbau polymerer Verbundwerkstoffe mit hohem Verschleißwiderstand aufzuzeigen und die Rolle der Füllstoffe hinsichtlich des Verschleißverhaltens zu verstehen. Hierbei lag besonderes Augenmerk auf der Verbesserung des Verschleißwiderstandes bei Verbunden mit duromerer und thermoplastischer Matrix durch die Präsenz von TiO2-Partikeln (Durchmesser 300nm). Das tribologische Verhalten epoxidharzbasierter Verbunde, gefüllt mit kurzen Kohlenstofffasern (SCF), Graphite, PTFE und nano-TiO2 in unterschiedlichen Proportionen und Kombinationen wurde untersucht, um den jeweiligen Füllstoffgehalt zu optimieren. Das Verhalten von Reibungskoeffizient, Verschleißwiderstand und Kontakttemperatur wurde unter Verwendung einer Stift-Scheibe Apparatur bei trockenem Gleitzustand, verschiedenen Kontaktdrücken und Gleitgeschwindigkeiten erforscht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von nano-TiO2 in kohlenstofffaserverstärkte Epoxide den Reibungskoeffizienten und die Kontakttemperatur herabsetzen können. Basierend auf Aufnahmen der verschlissenen Oberflächen durch Rasterelektronen- (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) trat ein positiver Rolleffekt der Nanopartikel zwischen den Materialpaaren zum Vorschein, welcher zu einer beachtlichen Reduktion des Reibungskoeffizienten führte. Dieser Rolleffekt schützte insbesondere die SCF vor schwerwiegenderen Verschleißmechanismen, speziell bei hohem Gleitdruck und hohen Geschwindigkeiten. Als Ergebnis konnte die Tragfähigkeit dieser Materialien wesentlich verbessert werden. Zusätzlich wurde die Wirkung zweier fester Schmierstoffe (PTFE-Pulver und Graphit-Flocken) auf die tribologische Leistungsfähigkeit verglichen. Es scheint, daß Graphit generell zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes beiträgt, wobei PTFE einen Transferfilm bilden kann und die Verschleißrate insbesondere in der Einlaufphase reduziert. Die Kombination von SCF und festen Schmierstoffen zusammen mit TiO2-Nanopartikeln kann einen Synergieeffekt bei dem Verschleißverhalten der Materialien hervorrufen. Der positive Effekt der Nanopartikel in Duromeren wurde ebenfalls bei den Untersuchungen von Thermoplasten (PA 66) gefunden. Die Nanopartikel konnten den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate der PA 66-Verbunde herabsetzen, wobei zusätzlich Kohlenstofffasern und Graphit-Flocken enthalten waren. Die Zugabe von Nanopartikeln trug offensichtlich auch zur Verbesserung der tribologischen Leistungsfähigkeit von SCF-verstärkten, hochtemperaturbeständigen Polymeren (PEI) insbesondere unter extremen Gleitzuständen, bei. Es wurde eine Methode vorgestellt, um die Kontakttemperatur und die Verschleißrate mit der durch Reibung dissipierten Energie zu korrelieren. Diese Energiebetrachtung ermöglicht eine bessere Interpretation der verschiedenen Eigenschaften von ausgewählten Tribo-Systemen. Die Gültigkeit dieses Models wurde für mehrere Gleittests unter verschiedenen Bedingungen erklärt. Vom generellen Blickpunkt eines tribologischen Systems aus mag diese Arbeit zu einem fundamentalen Verständnis der Mechanismen führen, welche das Reibungs und Verschleißverhalten kontrollieren, obwohl hier einfache quantitative (mathematische) Zusammenhänge bisher nicht zu erwarten sind. Der auf energiebasierenden Modellen fußende Lösungsansatz der neuronalen Netzwerke (ANN) wurde darüber hinaus auf die experimentellen Datensätze angewendet. Die gut trainierten ANN's besitzen das Potenzial sie in der praktischen Anwendungen zur Online- Datenauswertung und zur Vorhersage des Verschleißfortschritts einzusetzen.

Strukturelles Nähen: Ein Verfahren zur Armierung von Krafteinleitungen für Sandwich-Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbund (2005)

Roth, M. Alexander

The use of polymers subjected to various tribological situations has become state of the art. Owing to the advantages of self-lubrication and superior cleanliness, more and more polymer composites are now being used as sliding elements, which were formerly composed of metallic materials only. The feature that makes polymer composites so promising in industrial applications is the opportunity to tailor their properties with special fillers. The main aim of this study was to strength the importance of integrating various functional fillers in the design of wear-resistant polymer composites and to understand the role of fillers in modifying the wear behaviour of the materials. Special emphasis was focused on enhancement of the wear resistance of thermosetting and thermoplastic matrix composites by nano-TiO2 particles (with a diameter of 300nm). In order to optimize the content of various fillers, the tribological performance of a series of epoxy-based composites, filled with short carbon fibre (SCF), graphite, PTFE and nano-TiO2 in different proportions and combinations, was investigated. The patterns of frictional coefficient, wear resistance and contact temperature were examined by a pin-on-disc apparatus in a dry sliding condition under different contact pressures and sliding velocities. The experimental results indicated that the addition of nano-TiO2 effectively reduced the frictional coefficient, and consequently the contact temperature, of short-fibre reinforced epoxy composites. Based on scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) observations of the worn surfaces, a positive rolling effect of the nanoparticles between the material pairs was proposed, which led to remarkable reduction of the frictional coefficient. In particular, this rolling effect protected the SCF from more severe wear mechanisms, especially in high sliding pressure and speed situations. As a result, the load carrying capacity of materials was significantly improved. In addition, the different contributions of two solid lubricants, PTFE powders and graphite flakes, on the tribologicalperformance of epoxy nanocomposites were compared. It seems that graphite contributes to the improved wear resistance in general, whereas PTFE can easily form a transfer film and reduce the wear rate, especially in the running-in period. A combination of SCF and solid lubricants (PTFE and graphite) together with TiO2 nanoparticles can achieve a synergistic effect on the wear behaviour of materials. The favourable effect of nanoparticles detected in epoxy composites was also found in the investigations of thermoplastic, e.g. polyamide (PA) 6,6 matrix. It was found that nanoparticles could reduce the friction coefficient and wear rate of the PA6,6 composite remarkably, when additionally incorporated with short carbon fibres and graphite flakes. In particular, the addition of nanoparticles contributed to an obvious enhancement of the tribological performances of the short-fibre reinforced, hightemperature resistant polymers, e.g. polyetherimide (PEI), especially under extreme sliding conditions. A procedure was proposed in order to correlate the contact temperature and the wear rate with the frictional dissipated energy. Based on this energy consideration, a better interpretation of the different performance of distinct tribo-systems is possible. The validity of the model was illustrated for various sliding tests under different conditions. Although simple quantitative formulations could not be expected at present, the study may lead to a fundamental understanding of the mechanisms controlling friction and wear from a general system point of view. Moreover, using the energybased models, the artificial neural network (ANN) approach was applied to the experimental data. The well-trained ANN has the potential to be further used for online monitoring and prediction of wear progress in practical applications.Die Verwendung von Polymeren im Hinblick auf verschiedene tribologische Anwendungen entspricht mittlerweile dem Stand der Technik. Aufgrund der Vorteile von Selbstschmierung und ausgezeichneter Sauberkeit werden polymere Verbundwerkstoffe immer mehr als Gleitelemente genutzt, welche früher ausschließlich aus metallischen Werkstoffen bestanden. Die Besonderheit, die polymere Verbundwerkstoffe so vielversprechend für industrielle Anwendungen macht, ist die Möglichkeit ihre Eigenschaften durch Zugabe von speziellen Füllstoffen maßzuschneidern. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, die Wichtigkeit der Integration verschiedener funktionalisierter Füllstoffe in den Aufbau polymerer Verbundwerkstoffe mit hohem Verschleißwiderstand aufzuzeigen und die Rolle der Füllstoffe hinsichtlich des Verschleißverhaltens zu verstehen. Hierbei lag besonderes Augenmerk auf der Verbesserung des Verschleißwiderstandes bei Verbunden mit duromerer und thermoplastischer Matrix durch die Präsenz von TiO2-Partikeln (Durchmesser 300nm). Das tribologische Verhalten epoxidharzbasierter Verbunde, gefüllt mit kurzen Kohlenstofffasern (SCF), Graphite, PTFE und nano-TiO2 in unterschiedlichen Proportionen und Kombinationen wurde untersucht, um den jeweiligen Füllstoffgehalt zu optimieren. Das Verhalten von Reibungskoeffizient, Verschleißwiderstand und Kontakttemperatur wurde unter Verwendung einer Stift-Scheibe Apparatur bei trockenem Gleitzustand, verschiedenen Kontaktdrücken und Gleitgeschwindigkeiten erforscht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von nano-TiO2 in kohlenstofffaserverstärkte Epoxide den Reibungskoeffizienten und die Kontakttemperatur herabsetzen können. Basierend auf Aufnahmen der verschlissenen Oberflächen durch Rasterelektronen- (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) trat ein positiver Rolleffekt der Nanopartikel zwischen den Materialpaaren zum Vorschein, welcher zu einer beachtlichen Reduktion des Reibungskoeffizienten führte. Dieser Rolleffekt schützte insbesondere die SCF vor schwerwiegenderen Verschleißmechanismen, speziell bei hohem Gleitdruck und hohen Geschwindigkeiten. Als Ergebnis konnte die Tragfähigkeit dieser Materialien wesentlich verbessert werden. Zusätzlich wurde die Wirkung zweier fester Schmierstoffe (PTFE-Pulver und Graphit-Flocken) auf die tribologische Leistungsfähigkeit verglichen. Es scheint, daß Graphit generell zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes beiträgt, wobei PTFE einen Transferfilm bilden kann und die Verschleißrate insbesondere in der Einlaufphase reduziert. Die Kombination von SCF und festen Schmierstoffen zusammen mit TiO2-Nanopartikeln kann einen Synergieeffekt bei dem Verschleißverhalten der Materialien hervorrufen. Der positive Effekt der Nanopartikel in Duromeren wurde ebenfalls bei den Untersuchungen von Thermoplasten (PA 66) gefunden. Die Nanopartikel konnten den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate der PA 66-Verbunde herabsetzen, wobei zusätzlich Kohlenstofffasern und Graphit-Flocken enthalten waren. Die Zugabe von Nanopartikeln trug offensichtlich auch zur Verbesserung der tribologischen Leistungsfähigkeit von SCF-verstärkten, hochtemperaturbeständigen Polymeren (PEI) insbesondere unter extremen Gleitzuständen, bei. Es wurde eine Methode vorgestellt, um die Kontakttemperatur und die Verschleißrate mit der durch Reibung dissipierten Energie zu korrelieren. Diese Energiebetrachtung ermöglicht eine bessere Interpretation der verschiedenen Eigenschaften von ausgewählten Tribo-Systemen. Die Gültigkeit dieses Models wurde für mehrere Gleittests unter verschiedenen Bedingungen erklärt. Vom generellen Blickpunkt eines tribologischen Systems aus mag diese Arbeit zu einem fundamentalen Verständnis der Mechanismen führen, welche das Reibungsund Verschleißverhalten kontrollieren, obwohl hier einfache quantitative (mathematische) Zusammenhänge bisher nicht zu erwarten sind. Der auf energiebasierenden Modellen fußende Lösungsansatz der neuronalen Netzwerke (ANN) wurde darüber hinaus auf die experimentellen Datensätze angewendet. Die gut trainierten ANN's besitzen das Potenzial sie in der praktischen Anwendungen zur Online- Datenauswertung und zur Vorhersage des Verschleißfortschritts einzusetzen.

Entwicklung einer Referenzarchitektur zur Realisierung von Methoden der Lean Production mittels digitaler Technologien (2018)

Kolberg, Dennis

Spätestens seit den 1990ern bildet die Lean Production den Status quo der Produktionssysteme in der diskreten Klein- und Großserienfertigung. Mittels der Umstellung auf eine nachfrageorientierte Produktion und Vermeidung jeglicher nicht-wertschöpfender Aktivitäten konnte die Lean Production bei geringen Investitionen hohe Effizienzsteigerungen erreichen. Heute stößt die Lean Production allerdings an ihre Grenzen, da sie nicht das Potenzial moderner Informations- und Kommunikationstechnologie berücksichtigt. Der Lean Production mangelt es u.a. an der notwendigen Wandelbarkeit der Fertigungslinien, um zukünftige Anforderungen wie z.B. eine kundenindividuelle Fertigung in Losgröße 1 zu ermöglichen. Die stattfindende Digitalisierung der Produktion will diesen zukünftigen Produktionsanforde-rungen gerecht werden. Neue digitale Technologien sowie die gestiegene Leistung der Kom-ponenten ermöglichen eine intelligente Produktion, die Mitarbeiter in komplexen Produktions-prozessen unterstützt. Der gleichzeitig stattfindende Preisverfall und die Miniaturisierung in der Informations- und Kommunikationstechnologie führen auch in der Produktion zu allgegenwärtigen, vernetzten Computern. Das Potenzial dieser technologischen Entwicklung ist unumstritten, dennoch mangelt es aktuell an einer übergreifenden und ganzheitlichen Betrachtung, die eine Integration der Digitalisierung und der neuen Anwendungen in bestehende Produktionsumgebungen miteinbezieht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erarbeitung einheitlicher informationstechnischer Schnittstellen für die Lean Production. Die erarbeitete Referenzarchitektur definiert technologieunabhängige Schnittstellen und schafft den notwendigen Rahmen für die Nutzung digitaler Technologien in bestehenden Lean-Methoden. Bestandteil der Referenzarchitektur ist eine Systemarchitektur, die Rollen und deren Verhältnisse beschreibt. Ergänzt wird sie durch ein Informationsmodell, das die je Rolle benötigten Funktionalitäten und die ausgetauschten Nachrichten spezifiziert, sowie durch eine Softwarearchitektur für die Umsetzung der Schnitt-stellen. Die Referenzarchitektur wurde auf einen bestehenden Forschungsdemonstrator der Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V. exemplarisch übertragen.

Entwicklung eines großserientauglichen Aufheizprozesses für naturfaserverstärkte Kunststoffe (2018)

Dzalto, Jovana

Die konventionelle Verarbeitung naturfaserverstärkter, thermoplastischer Kunststof-fe zu Bauteilen erfolgt derzeit in einem aufwändigen, mehrstufigen Pressverfahren, welches mit hohen Investitionskosten und hohem Platzbedarf verbunden ist. Aus-gangsmaterial bilden Hybridvliese aus Naturfasern und thermoplastischen Schmelzfasern, welche eine Straße mit mindestens zwei Pressen durchlaufen müssen. In der Heizpresse wird das Vlies unter Wärmezufuhr und Druck kompak-tiert und die Naturfasern dabei imprägniert. Anschließend erfolgt die Formgebung in einer Umformpresse. Das Verfahren hat den wirtschaftlich großen Nachteil, dass die Imprägnierung und die Formgebung zeitlich wie räumlich direkt aneinander ge-koppelt sind, da es keine Alternative zur Erwärmung der Hybridvliese mit gleichzeiti-ger Imprägnierung gibt. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiger Aufheizprozess für naturfaserverstärkte Thermoplaste auf Basis von Infrarotstrahlung entwickelt, der diese Probleme auf-greift. Als Ausgangsmaterial hierfür werden bereits imprägnierte und vorkompaktier-te Naturfasermatten verwendet, mit denen die hocheffizienten Thermoform-Prozessketten genutzt werden sollen, wie sie beispielsweise bei glas- oder kohlen-stofffaserverstärkten Thermoplasten zum Einsatz kommen. Aufgrund der thermi-schen Restriktionen von Naturfasern bei der Verarbeitung wird eine materialselekti-ve Infrarot-Erwärmungsmethode konzipiert und untersucht, deren Ziel eine optimier-te, maximierte Absorption der Strahlung durch das Polymer darstellt. Es wird ge-währleistet, dass die Absorption durch Naturfasern auch bei der Variation der Roh-stoffqualität minimal ist. So können auch geringfügig kompaktierte Naturfaser-Halbzeuge mit hohem Porengehalt mithilfe des Aufheizprozesses auf eine ausrei-chende Umformtemperatur erwärmt werden, ohne die Verstärkungsfasern thermisch zu schädigen. Die Untersuchung des Prozesseinflusses im Hinblick auf mechani-sche Eigenschaften sowie Geruch und Emissionen validiert die Großserientaug-lichkeit des entwickelten Aufheizverfahrens. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden in Richtlinien für die Verarbeitung thermoplas-tischer, vorimprägnierter und kompaktierter, naturfaserverstärkter Kunststoffe zu-sammengefasst und sollen dem Verarbeiter eine gezielte Auswahl von Halbzeugen und die Minimierung der Prozesszykluszeit ermöglichen.

Beschreibung des orthotrop viskoelasto-plastischen Verhaltens langglasfaserverstärkten Polypropylens Versuchskonzept und FE-Simulation (2009)

Bosseler, Marc

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. The scarcity of raw materials such as oil and natural gas has led the necessity to design more and more energy-efficient constructions. This applies particularly to the automotive industry and its component suppliers. There are two possibilities to meet this obligation. On the one hand, one can develop new forms of drive concepts, e.g. hybrid or electric motors. On the other hand, the reduction of weight can significantly diminish the consumption of fuel. Especially in the aerospace industry every gram less counts. To put this requirement into action traditional materials, e.g. steel and cast iron, are replaced by new lightweight materials. This can be miscellaneous light alloys or one of several fibre reinforced plastics. After the production of plastic devices such as display panels in cars, more and more security-relevant plastic devices appeared. This report deals with one important material within the group of glass fibre reinforced thermoplastics i.e. long-glass-fibre reinforced polypropylene. Polypropylene with approximately 14% of the worldwide usage of plastics is very cheap and can support companies in cost-saving. This aspect becomes more and more important considering the expansion of global business competition, especially in the automotive industry. With approximately 50%, glass-fibre reinforced polypropylene is the dominant material in the group of glass fibre reinforced thermoplastics. To counteract the demand of shorter development times in the design process the automotive industry and its suppliers count on simulation tools such as the finite-element (FE)-simulation. For this reason the quality of the mathematical material models has to be improved and its parameters have to be identified. After choosing a suitable material model and identifying the corresponding parameters, a verification of both has to follow to assure their reliability. This is typically carried out by comparing measurement with simulation data at distinctive points of the considered geometry. With advanced performance of computer hardware and measurement systems it is possible to measure specimens and more complex geometries at high strain rates by means of high speed cameras and to conduct FE-Simulations in a justifiable time with sufficient accuracy Thus the following chapter firstly discusses the basics of continuum mechanics with its well-established mathematical formulations for anisotropic elasticity, plasticity and viscoelasticity and the corresponding rheological models. In chapter three the properties of the matrix material polypropylene are presented with more precise consideration of the strength and failure of the composite material under tensile load depending on the fibre length and volume. Thereafter, the geometry and dimensions of the specimens for tensile and shear tests are presented, together with a test sample which is used as an example for the design of automotive structures via coactions of measuring and simulation techniques. Chapter four deals with the state of the art in high speed testing, the experimental setup and its mode of operation as well as the explanation of different kinds of evaluation software which is used in this work. Here, the main focus is aimed at the determination and interpretation of displacement and strain fields with the grey scale method. The following paragraph describes different initial examinations of specimens and the test sample. In this context, exposures of fracture surfaces and polished micrograph sections were examined by means of optical and scanning electron microscopy. In this way discontinuities and cracks caused by the injection moulding process are detected. The quality of the specimens and the test sample and their suitability for systematic material testing are finally evaluated by means of thermoelastic stress analysis and a laser extensometer. With these systems a direct optical strain measurement can be accomplished to screen the homogeneity of specimens and parts. In chapter six an approach for an experimental method is presented for measuring displacement fields of the surface of specimens of long-glass-fibre reinforced polypropylene at high strain rate. A strategy is introduced for reasonable data evaluation to characterise stress strain behaviour under tensile and shear load. Specimens of long-glass-fibre polypropylene with a fibre volume content of 30% and 40% respectively, are tested and analysed. Anisotropy of the material is considered by testing specimens with fibres oriented either in the direction of the tensile load or perpendicular to it. The resulting stress strain curves for the two main directions are used as basis for identifying material properties for an orthotropic constitutive law. Hence the elastic parameters that are collected from stress strain curves are the axial modulus in fibre direction and perpendicular to it, the shear modulus in the fibre plane and the matrix plane and finally the lateral contraction in fibre direction, at right angle to it and in the matrix plane. After having collected the parameters for elasticity, the HILLcriterion is utilised to describe orthotropic plasticity. The different stresses at the yielding points related to the designated directions are used to compute the parameters of the HILL-criterion. Finally, in order to describe the strain-rate dependent behaviour of the material, a one dimensional rheological model with four relaxation terms is utilized to represent the set of curves resulting from tests of specimens at five different strain rates. The viscoelastic parameters are identified by means of a least square approach using the Levenberg-Marquardt algorithm. In chapter eight, the elastic-plastic orthotropic material model is verified for low strain rates. A specimen with a hole in its middle is exposed to a tensile load until break and simultaneously measured by means of a CCD-camera to obtain the two-dimensional displacement field on its surface. Comparison of the experimental displacements with the displacements of a finite-element model at the same points shows the quality of the material model and its parameters. Finally, in chapter nine, the results of a filling simulation of the test sample is shown and again a comparison of measured and simulated data is presented. This we describe the potential and the limits of current filling-simulation-software in conjunction with a popular finite-element-tool like ABAQUS. To conclude appropriate mathematical characterisation and reliable parameters of long-glass-fibre reinforced polypropylene require stringent experimental and theoretical characterisation. Complete specification of such a complex material is still very time-consuming and prone to mistakes during the whole sequence of operations. For this reason it is very important to improve the reliability of every single step in product engineering. Hence the performance of a mathematical material model is not only dependent on its formulation but also and particularly on the quality of its material parameters whether they are determined directly from material tests or by means of special optimization software. The best optimization tools can only optimize material parameters reliably if the underlying experimental data is just as reliable.

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern 2018.06 (2018)

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern Nr. 6/09.07.2018

Stochastic Modeling of Multiphase Materials Based on Digital Image Data (2018)

Losch, Katharina

Multiphase materials combine properties of several materials, which makes them interesting for high-performing components. This thesis considers a certain set of multiphase materials, namely silicon-carbide (SiC) particle-reinforced aluminium (Al) metal matrix composites and their modelling based on stochastic geometry models. Stochastic modelling can be used for the generation of virtual material samples: Once we have fitted a model to the material statistics, we can obtain independent three-dimensional “samples” of the material under investigation without the need of any actual imaging. Additionally, by changing the model parameters, we can easily simulate a new material composition. The materials under investigation have a rather complicated microstructure, as the system of SiC particles has many degrees of freedom: Size, shape, orientation and spatial distribution. Based on FIB-SEM images, that yield three-dimensional image data, we extract the SiC particle structure using methods of image analysis. Then we model the SiC particles by anisotropically rescaled cells of a random Laguerre tessellation that was fitted to the shapes of isotropically rescaled particles. We fit a log-normal distribution for the volume distribution of the SiC particles. Additionally, we propose models for the Al grain structure and the Aluminium-Copper (${Al}_2{Cu}$) precipitations occurring on the grain boundaries and on SiC-Al phase boundaries. Finally, we show how we can estimate the parameters of the volume-distribution based on two-dimensional SEM images. This estimation is applied to two samples with different mean SiC particle diameters and to a random section through the model. The stereological estimations are within acceptable agreement with the parameters estimated from three-dimensional image data as well as with the parameters of the model.

Bioactive Compounds from Marine Sources (2018)

Zayed, Ahmed Elsayed Ahmed Farag

Fucoidan is a class of biopolymers mainly found in brown seaweeds. Due to its diverse medical importance, homogenous supply as well as a GMP-compliant product is of a special interest. Therefore, in addition to optimization of its extraction and purification from classical resources, other techniques were tried (e.g., marine tissue culture and heterologous expression of enzymes involved in its biosynthesis). Results showed that 17.5% (w/w) crude fucoidan after pre-treatment and extraction was obtained from the brown macroalgae F. vesiculosus. Purification by affinity chromatography improved purity relative to the commercial purified product. Furthermore, biological investigations revealed improved anti-coagulant and anti-viral activities compared with crude fucoidan. Furthermore, callus-like and protoplast cultures as well as bioreactor cultivation were developed from F. vesiculosus representing a new horizon to produce fucoidan biotechnologically. Moreover, heterologous expression of several enzymes involved in its biosynthesis by E. coli (e.g., FucTs and STs) demonstrated the possibility to obtain active enzymes that could be utilized in enzymatic in vitro synthesis of fucoidan. All these competitive techniques could provide the global demands from fucoidan.

Zur Eigenspannungsausbildung bei der wickeltechnischen Verarbeitung thermoplastischer Bandhalbzeuge (2005)

Schlottermüller, Martin

Filament winding is today a well established production technique for fiber reinforced pressure vessels. Most of the parts are still made using thermosets as matrix material, but parts with thermoplastic matrices are today on the edge to mass production. Usually these parts are made from fully consolidated unidirectional fiber reinforced thermoplastic tapes. During processing the matrix material is molten and the tapes are placed on the substrate where they re-solidify. A wide range of material combinations are available on the market. The materials used in the present investigation are semi-crystalline thermoplastics and glass or carbon fiber i.e. carbon fiber reinforced Polyetheretherketone, glass fiber reinforced Polyetheretherketone and glass fiber reinforced Polypropylene. Applications can be found in the field of medium and high pressure vessels like they are used for natural gas and hydrogen storage or for tubes and pipes for their transport. During the design of such parts mostly idealized properties as for example tensile strength are used. Residual stresses which are inherent for composite materials are only considered as part of the safety factor. The present work investigates the generation of residual stresses for in-situ consolidation during filament winding. Within this process consolidation of the tape material and the substrate takes place immediately after the tapes are placed. This is contrary to the normal curing of thermoset materials and has a large influence on the generation of the residual stress. The impact of these stresses on the behavior of the produced parts during service is one of the topics of this investigation. Therefore the background of thermal residual stresses in semi-crystalline thermoplastic parts is discussed and a closer look on the crystallization behavior of the matrix materials was taken. As the beginning of the crystal growth is a major point in the generation of thermal residual stress. The aim of the present work is to find process parameter combinations that allow to compensate the thermal residual stresses and to generate a residual stress profile that – unlike the thermal residual stresses - brings about structural benefit. Ring samples with a defined geometry were made to measure the generated stresses. The geometry of the samples was chosen in a way that prevents influences of the boundary conditions of the free edges on the measuring point. In the investigations the residual stresses were measured in circumferential direction using a method where the ring samples were cut in radial direction and the deformation was measured using strain gages. From the strain the local stress can be determined. It was tried to minimize the number of experiments. Therefore the influence of filament winding process parameters on the residual stress were investigated using a Design of Experiments approach where the main influences on the residual stress generation can be found from a relatively small number of experiments such as 8 instead of 128. As a result of these experiments it was found that the winding angle, the mandrel temperature, the annealing, the wall thickness and the tape tension have a significant influence on residual stresses. With increasing winding angles the influence on the measured circumferential stresses increase regardless to kind of residual stresses. The mandrel temperature has a large influence on the temperature difference that causes the stress between fiber and matrix. They are caused by different thermal expansion coefficients of fiber and matrix. Structural benefit through annealing is only theoretically possible because the required outside temperatures along with internal cooling of the parts can not be realized within an industrial processes. Increasing wall thickness leads to also increasing residual stress but it can not be the aim to build oversized parts for the sake of residual stresses. The applied tape tension was identified as a parameter that can be used to achieve the desired residual stress state with reasonable efforts. Different ways of varying the tape tension with increasing wall thickness were investigated. The tape tension was increased with every layer to a chosen maximum value or, after half of the layers were placed, in one step to the maximum value. Furthermore a continuously high tape tension and a variant without tape tension was investigated. The experiments led to the conclusion that increasing tape tension with increasing wall thickness is a viable way to have structural benefit from residual stress. The increasing in one step gave the best results. The impact of the thermal history during production is discussed as well. Temperatures must not exceed the softening point of the matrix. Otherwise a part of the tape tension gets lost by relaxation. In a particular case the relaxation reached an amount where the compensation of the thermal stresses failed. Thermodynamic calculations led to the conclusion that the energy transfer into the material by mandrel heating and melt energy caused a temperature above the softening point. The impact of tape tension on material quality is documented. Very low tape tension can not guarantee a proper consolidation. On the other hand excessive tape tension can lead to matrix squeeze out and in particular cases to cracks due to too high residual stresses. Therefore the tape tension profile should be well adapted to work load, the composite and its properties. Investigations on the relaxation behavior of the residual stresses showed that relaxation occurs and that a part of the residual stress relaxes when the samples were exposed to higher temperatures. Test at room temperature showed no significant sign of relaxation. When the temperature was raised – in this case to 80 °C - the samples clearly relaxed. The amount of induced residual stress sank to half of its initial value. Investigations on the structural benefit showed that material savings of up to 23 % of weight are possible for high pressure applications and fiber reinforcements with relatively low fiber volume content. Higher fiber volume contents which also mean higher strengths reduce the benefit. As the strength of the material increases the benefit reduces in relation to it. Nevertheless there is a potential in material saving and one should keep in mind that the costs to establish the equipment to control the tape tension is cheap in comparison to the achievable result.

Synthese von Cyclopeptiden und deren vielfältige Anwendung – Chirale Bausteine in Koordinationsverbindungen und Rezeptoren für Kationen (2018)

Klische, Michaela

In dieser Arbeit sollten Liganden für Übergangsmetalle auf Basis von cyclischen Peptiden mit natürlichen und nicht-natürlichen Aminosäureuntereinheiten entwickelt werden. Durch die chiralen Aminosäuren in den Cyclopeptiden sollte deren Chiralität auf den Metallkomplex übertragen werden. Dadurch könnten Materialien für die Racematspaltung auf Basis von Koordinationsnetzwerken oder chirale Rezeptoren mit geeigneten Hohlräumen auf Basis von diskreten Koordinationsverbindungen zugänglich werden. Cyclische Kationenrezeptoren können als Wirkstoff in der Medizin Anwendung finden, zum Beispiel als Mimetikum für Ionophore wie Valinomycin. Im ersten Teil der Arbeit wurden die Synthesen einer Reihe von Cyclotetrapeptiden, welche in alternierender Reihenfolge Prolin- und nicht-cyclische α-Aminosäureuntereinheiten enthielten, verfolgt. Als vielversprechendste Grundstruktur erwies sich dabei ein Cyclotetrapeptid mit D-Phenylalanin und L-4-Azido-Prolineinheiten, da es eine Vielzahl von möglichen Funktionalisierungen über die Azidgruppen ermöglichte. Durch Einführung geeigneter funktioneller Gruppen in der Peripherie des Cyclopeptidrings wurden Koordinationsstellen für Metallzentren geschaffen. Von den erhaltenen Produkten eignete sich keins für den Aufbau von Koordinationsnetzwerken (Metal-organic frameworks; MOF). Die Ursache ist höchstwahrscheinlich die zu hohe Flexibilität der betreffenden Cyclopeptide. Die hohe Flexibilität dieser Verbindungen wurde ebenfalls bei den Versuchen zur Darstellung von diskreten Koordinationsverbindungen mit Pd(II) deutlich. Hier wurde ein dinuklearer Pd(II)-Komplex erhalten, in dem die beiden Cyclopeptidliganden charakteristisch andere Konformationen annehmen als in der freien Form. Weiterhin wurde im zweiten Teil der Arbeit eine Synthese für Cyclohexapeptide mit N-alkylierten 5-Amino-4-oxo-1,4-dihydropyridin-3-carbonsäureeinheiten entwickelt. Das gewünschte Produkt wurde in einer 16-stufigen Synthese erhalten. NMR-spektroskopische Studien zeigten, dass es in Lösung ein komplexes Konformerengleichgewicht aufweist. Die Studien deuten außerdem an, dass es mit Alkalimetallionen in Lösung wechselwirkt.

Regenwasser in urbanen Räumen - aqua urbanica trifft RegenwasserTage 2018 (2018)

Der vorliegende Tagungsband erscheint als Band 1 der neuen Schriftenreihe Wasser Infrastruktur Ressourcen, in der die Fachgebiete Siedlungswasserwirtschaft und Ressourceneffiziente Abwasserbehandlung der TU Kaiserslautern künftig ihre wissenschaftlichen Aktivitäten und Ergebnisse gemeinsam publizieren werden. Für den Start dieser Schriftenreihe erscheint die Sammlung der Beiträge zur Gemeinschaftstagung aqua urbanica trifft RegenwasserTage bestens geeignet. Die Fachbeiträge beleuchten mit Regenwasser in urbanen Räumen ein Themenfeld, das seit mehr als 25 Jahren im Fokus der Forschungsaktivitäten des Herausgebers steht und ein zentrales Element der beiden in diesem Jahr zusammengeführten Tagungen seit vielen Jahren darstellt. Die Regenwassertage finden 2018 zum 17. Mal statt. Die aqua urbanica wird seit 2011 von den sechs siedlungswasserwirtschaftlichen Schwesterinstitutionen der eawag-ETH Zürich, der Hochschule für Technik Rapperswil, der TU Graz, der Universität Innsbruck, der Universität Stuttgart und der TU Kaiserslautern in Kooperation mit den nationalen Organisationen DWA, ÖWAV und VSA veranstaltet. Die Gemeinschaftstagung widmet sich dem verantwortungsvollen Umgang mit Regenwasser als zentraler Baustein zur Sicherstellung leistungsfähiger kommunaler Entwässerungssysteme. Mit der Fokussierung auf Regenwasser in urbanen Räumen soll den besonderen Herausforderungen Rechnung getragen werden, die aus dem zukunftsgerechten Umgang mit Regenwasser in Siedlungsgebieten erwachsen. Die kommunale Überflutungsvorsorge als Starkregenrisikomanagement, der Schutz der Gewässer vor Belastungen aus Regenwetterabflüssen und der Erhalt des lokalen Wasserhaushalts erfordern eine interdisziplinäre, kooperative Bearbeitung. Sie müssen mit ihren Zielkonflikten auch im Lichte großer Ungewissheiten zukünftiger Entwicklungen bearbeitet werden. Das gilt in besonderem Maße für die in den letzten Jahren beobachtete Häufung extremer Niederschlagsereignisse als mögliche Folge des Klimawandels. Zur Sicherstellung des durch die EN 752 europaweit vorgegebenen Überflutungsschutzes in urbanen Räumen braucht es ein leistungsfähiges Entwässerungssystem, das von mehreren Generationen geschaffen wurde und das es auch weiterhin zu erhalten und zu optimieren gilt. Die genannten Anliegen sind gleichermaßen Themen mit hoher Wertigkeit sowohl bei den umwelt- und kommunalpolitisch Verantwortlichen als auch in der öffentlichen Wahrnehmung. In Verbindung mit den Anforderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie und dem dort verankerten Verschlechterungsverbot für den Zustand der Gewässer gilt es, die oberirdischen Gewässer und das Grundwasser soweit möglich vor Stoffeinträgen durch Regenwetterabflüsse zu schützen. Nach Möglichkeit sollte nur noch nicht behandlungsbedürftiges oder entsprechend vorgereinigtes Regenwasser eingeleitet bzw. zur Versickerung gebracht werden. Dafür kommen innerhalb der bisher eher zentral ausgerichteten Entwässerungskonzepte zunehmend auch intelligente dezentrale und möglichst naturnahe Maßnahmen zum Einsatz. Das sich daraus ergebende Spannungsfeld soll im Rahmen der Tagung möglichst breit betrachtet und diskutiert werden. Mit den Themenschwerpunkten • Ansätze für ein zukunftsfähiges Starkregenrisikomanagement • Lösungsansätze für eine wassersensible Stadtentwicklung • Bewertung der Gewässerbelastungen durch Regenwetterabflüsse • Methoden und Anlagen der Regenwasserbehandlung bietet die Gemeinschaftstagung aqua urbanica trifft RegenwasserTage interessierten Teilnehmern aus Behörden, Kommunen und Verbänden, Hochschulen und Ingenieurbüros einen Überblick über die aktuellen Entwicklungen und den derzeitigen Stand im Umgang mit Regenwasser. Dabei werden Herausforderungen für die moderne Siedlungsentwässerung aufgegriffen und Erfahrungen aus geplanten und realisierten Projekten vorgestellt und diskutiert. Damit soll auch der Austausch zwischen Wissenschaft und Praxis gefördert und verstärkt werden.

Combinatorics of Valuations on Curve Singularities (2018)

Korell, Philipp

Using valuation theory we associate to a one-dimensional equidimensional semilocal Cohen-Macaulay ring $R$ its semigroup of values, and to a fractional ideal of $R$ we associate its value semigroup ideal. For a class of curve singularities (here called admissible rings) including algebroid curves the semigroups of values, respectively the value semigroup ideals, satisfy combinatorial properties defining good semigroups, respectively good semigroup ideals. Notably, the class of good semigroups strictly contains the class of value semigroups of admissible rings. On good semigroups we establish combinatorial versions of algebraic concepts on admissible rings which are compatible with their prototypes under taking values. Primarily we examine duality and quasihomogeneity. We give a definition for canonical semigroup ideals of good semigroups which characterizes canonical fractional ideals of an admissible ring in terms of their value semigroup ideals. Moreover, a canonical semigroup ideal induces a duality on the set of good semigroup ideals of a good semigroup. This duality is compatible with the Cohen-Macaulay duality on fractional ideals under taking values. The properties of the semigroup of values of a quasihomogeneous curve singularity lead to a notion of quasihomogeneity on good semigroups which is compatible with its algebraic prototype. We give a combinatorial criterion which allows to construct from a quasihomogeneous semigroup $S$ a quasihomogeneous curve singularity having $S$ as semigroup of values. As an application we use the semigroup of values to compute endomorphism rings of maximal ideals of algebroid curves. This yields an explicit description of the intermediate rings in an algorithmic normalization of plane central arrangements of smooth curves based on a criterion by Grauert and Remmert. Applying this result to hyperplane arrangements we determine the number of steps needed to compute the normalization of a the arrangement in terms of its Möbius function.

Phase Field Modeling of Dynamic Brittle Fracture (2018)

Schlueter, Alexander

The phase field approach is a powerful tool that can handle even complicated fracture phenomena within an apparently simple framework. Nonetheless, a profound understanding of the model is required in order to be able to interpret the obtained results correctly. Furthermore, in the dynamic case the phase field model needs to be verified in comparison to experimental data and analytical results in order to increase the trust in this new approach. In this thesis, a phase field model for dynamic brittle fracture is investigated with regard to these aspects by analytical and numerical methods

Zur Pultrusion von thermoplastischen Halbzeugen: Prozessanalys und Modelllbildung (2006)

Wiedmer, Sandrine

Zur kontinuierlichen Herstellung von Faser-Kunstoff-Verbunden in Form von Profilen hat sich das Pultrusionsverfahren seit langem erfolgreich industriell etabliert. Bis jetzt wurden fast ausschließlich duroplastische Matrizes verwendet. Aufgrund der zahlreichen Vorteile wecken thermoplastische Faserverbundwerkstoffe zunehmend das Interesse der Industrie; der Einsatz und die Fertigung von thermoplastischen Profilen in hohen Stückzahlen werden jedoch bislang wegen mangelnder Grundkenntnisse noch nicht realisiert. In der vorliegenden Arbeit wird der Pultrusionsprozess thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe im Hinblick auf Realisierbarkeit und Optimierung von Prozessparametern untersucht. Ziel war es bereits vorliegende Erkenntnisse zu erweitern und bestehende Wissenslücken zu schließen. Als Ausgangsmaterial wurden verschiedene Garntypen verwendet: ein Garn aus Kohlenstoff- und Polyamid 12-Fasern, ein Mischgarn aus Glas- und Polypropylen-Fasern sowie Polypropylen pulverimprägnierte Glasfasern (sogenannte Towpregs). Besonderes Augenmerk lag auf dem ersten Garntyp aus CF/PA12, der diskontinuierliche Fasern enthält. Mit diesen Materialien wurden unidirektional faserverstärkte, rechteckige und runde Profile hergestellt. Weiterhin wurde der Einfluss von zwei Hauptprozessparametern, die Temperatur der Vorheizzone und der Heizdüse und die Abzugsgeschwindigkeit, sowie von der Länge der Heizdüse auf die Profilqualität analysiert. Die jeweils verwendeten Garntypen, der sich einsstellende Faservolumengehalt sowie der Feuchtigkeitseinfluss wurden zusätzlich systematisch untersucht. Weiterhin wurde die Abzugskraft analysiert. Die Charakterisierung der Pultrudatqualität erfolgte durch mechanische und morphologische Prüfungen. Der Imprägnierungsgrad, die Biegeeigenschaften und die Scherfestigkeit, sowie zweitrangig die Charpy-Schlagzähigkeit und die Zugeigenschaften wurden hierzu ermittelt und anschließend bewertet. Weiterhin wurde die Oberflächenqualität mittels Laserprofilometrie untersucht. Einen entscheidenden Faktor stellte die Abzugsgeschwindigkeit dar. Bis auf die Oberfläche wurden Verschlechterungen der Imprägnierung und der mechanischen Eigenschaften mit zunehmender Geschwindigkeit beobachtet. Weiterhin wurde der Abkühlungsprozess untersucht. Die bei der Pultrusion vorhandenen Abkühlraten sind sehr hoch und werden von der Abzugsgeschwindigkeit sowie der Kühldüsentemperatur beeinflusst.Die Erstellung eines Verarbeitungsfensters für das Garn aus CF/PA12 wurde erfolgreich durch Verwendung einer Qualitätskennzahl durchgeführt. Des Weiteren wurde die Erstarrung und der Prozess der Kristallisation aus der Schmelze für das CF/PA12 System näher untersucht. Zur Beschreibung der isothermen sowie nicht-isothermen Kristallisationskinetik wurden verschiedene Methoden angewandt. In diesem Zusammenhang lieferten das Modell von Chuah zufriedenstellende Ergebnisse. Weiterhin erfolgte die Modellierung der Wärmeübertragung zur Vorhersage der Temperatur im Material während der Pultrusion mit der Finiten Elemente Methode. Aufbauend hierauf können im Versuchsvorfeld die am besten geeigneten Werkzeugtemperatur-/Abzugsgeschwindigkeitskombinationen eingestellt werden.

Entwicklung einer Messzelle zur Bestimmung von Kompaktierungs- und Permeabilitätskennwerten bei flächigen Faserhalbzeugen (2006)

Stadtfeld, Hubert

The popularity of composite materials is constantly growing, which can be verified by the rising number of composite parts in our everyday life. Examples of composite parts can be found in the Airbus A 380 or the constantly increasing number of wind turbines which contain composite rotor blades of over 50m length. Because of the main features of composites, which are light weight combined with high strength and the possibility of tailoring the strength and the stiffness of the composite according to the requirements, their application is highly efficient and economic. In order to manufacture a composite part by employing a Liquid Composite Molding Process (LCM), it is first necessary to select an appropriate manufacturing process such as the Resin Transfer Molding Process (RTM) and to design a mold which corresponds to the requirements of the selected process. Then the stacking sequence of the individual fibrous reinforcements is designed to withstand the loads on the final part. To achieve an efficient composite manufacturing process, pre-shaped, handable, dry reinforcing structures, so called preforms, need to be applied. Such preforms can be assembled either by using conventional binder technologies or by the recently developed “cut and sew approach”. A variety of available software simulation tools support the design engineer in this task. These tools are, on the one hand, a fast way of gaining information about the expected loads the mold has to endure during the injection process. On the other hand, they provide the possibility to optimize the injection process and its process parameters and to identify critical points of incomplete saturation. With this information at hand, the design of the mold can be adjusted in order to obtain optimal processing conditions for a slim and efficient production cycle. A prerequisite for employing these powerful simulation tools is to obtain thorough knowledge of the required input parameters concerning the fibrous reinforcement to be used. The most important input parameters are the compaction behavior and the permeability of the fibrous stacking sequence. Because of the absence of modelbased tools to provide this input information experimental determination methods have to be employed. This work introduces two semi-automated measurement cells which determine the inplane permeability of fibrous reinforcements in an efficient manner, i.e. the dielectrical permeability work cell and the optical compaction and permeability work cell. The latter of which can determine both the required compaction and the permeability information in one single experiment. The design and manner of operating of the optical compaction and permeability work cell is described and its functionality is validated by a comparison of experimental results.

Model-Based Design and Adaptive Scheduling of Distributed Real-Time Systems (2018)

Syed, Ali Abbas Jaffari

The complexity of modern real-time systems is increasing day by day. This inevitable rise in complexity predominantly stems from two contradicting requirements, i.e., ever increasing demand for functionality, and required low cost for the final product. The development of modern multi-processors and variety of network protocols and architectures have enabled such a leap in complexity and functionality possible. Albeit, efficient use of these multi-processors and network architectures is still a major problem. Moreover, the software design and its development process needs improvements in order to support rapid-prototyping for ever changing system designs. Therefore, in this dissertation, we provide solutions for different problems faced in the development and deployment process of real-time systems. The contributions presented in this thesis enable efficient utilization of system resources, rapid design & development and component modularity & portability. In order to ease the certification process, time-triggered computation model is often used in distributed systems. However, time-triggered scheduling is NP-hard, due to which the process of schedule generation for complex large systems becomes convoluted. Large scheduler run-times and low scalability are two major problems with time-triggered scheduling. To solve these problems, we present a modular real-time scheduler based on a novel search-tree pruning technique, which consumes less time (compared to the state-of-the-art) in order to schedule tasks on large distributed time-triggered systems. In order to provide end-to-end guarantees, we also extend our modular scheduler to quickly generate schedules for time-triggered network traffic in large TTEthernet based networks. We evaluate our schedulers on synthetic but practical task-sets and demonstrate that our pruning technique efficiently reduces scheduler run-times and exhibits adequate scalability for future time-triggered distributed systems. In safety critical systems, the certification process also requires strict isolation between independent components. This isolation is enforced by utilizing resource partitioning approach, where different criticality components execute in different partitions (each temporally and spatially isolated from each other). However, existing partitioning approaches use periodic servers or tasks to service aperiodic activities. This approach leads to utilization loss and potentially leads to large latencies. On the contrary to the periodic approaches, state-of-the-art aperiodic task admission algorithms do not suffer from problems like utilization loss. However, these approaches do not support partitioned scheduling or mixed-criticality execution environment. To solve this problem, we propose an algorithm for online admission of aperiodic tasks which provides job execution flexibility, jitter control and leads to lower latencies of aperiodic tasks. For safety critical systems, fault-tolerance is one of the most important requirements. In time-triggered systems, modes are often used to ensure survivability against faults, i.e., when a fault is detected, current system configuration (or mode) is changed such that the overall system performance is either unaffected or degrades gracefully. In literature, it has been asserted that a task-set might be schedulable in individual modes but unschedulable during a mode-change. Moreover, conventional mode-change execution strategies might cause significant delays until the next mode is established. In order to address these issues, in this dissertation, we present an approach for schedulability analysis of mode-changes and propose mode-change delay reduction techniques in distributed system architecture defined by the DREAMS project. We evaluate our approach on an avionics use case and demonstrate that our approach can drastically reduce mode-change delays. In order to manage increasing system complexity, real-time applications also require new design and development technologies. Other than fulfilling the technical requirements, the main features required from such technologies include modularity and re-usability. AUTOSAR is one of these technologies in automotive industry, which defines an open standard for software architecture of a real-time operating system. However, being an industrial standard, the available proprietary tools do not support model extensions and/or new developments by third-parties and, therefore, hinder the software evolution. To solve this problem, we developed an open-source AUTOSAR toolchain which supports application development and code generation for several modules. In order to exhibit the capabilities of our toolchain, we developed two case studies. These case studies demonstrate that our toolchain generates valid artifacts, avoids dirty workarounds and supports application development. In order to cope with evolving system designs and hardware platforms, rapid-development of scheduling and analysis algorithms is required. In order to ease the process of algorithm development, a number of scheduling and analysis frameworks are proposed in literature. However, these frameworks focus on a specific class of applications and are limited in functionality. In this dissertation, we provide the skeleton of a scheduling and analysis framework for real-time systems. In order to support rapid-development, we also highlight different development components which promote code reuse and component modularity.

The Influence of Fatigued Core Muscles on Head Acceleration during Headers in Soccer (2018)

Becker, Stephan ; Fröhlich, Michael ; Kelm, Jens ; Ludwig, Oliver

The core muscles play a central role in stabilizing the head during headers in soccer. The objective of this study was to examine the influence of a fatigued core musculature on the acceleration of the head during jump headers and run headers. Acceleration of the head was measured in a pre-post-design in 68 soccer players (age: 21.5 ± 3.8 years, height: 180.0 ± 13.9 cm, weight: 76.9 ± 8.1 kg). Data were recorded by means of a telemetric 3D acceleration sensor and with a pendulum header. The treatment encompassed two exercises each for the ventral, lateral, and dorsal muscle chains. The acceleration of the head between pre- and post-test was reduced by 0.3 G (p = 0.011) in jump headers and by 0.2 G (p = 0.067) in run headers. An additional analysis of all pretests showed an increased acceleration in run headers when compared to stand headers (p < 0.001) and jump headers (p < 0.001). No differences were found in the sub-group comparisons: semi-professional vs. recreational players, offensive vs. defensive players. Based on the results, we conclude that the acceleration of the head after fatiguing the core muscles does not increase, which stands in contrast to postulated expectations. More tests with accelerated soccer balls are required for a conclusive statement.

Identification of Boolean Network Models from Time Series Data Incorporating Prior Knowledge (2018)

Leifeld, Thomas ; Zhang, Zhihua ; Zhang, Ping

Motivation: Mathematical models take an important place in science and engineering. A model can help scientists to explain dynamic behavior of a system and to understand the functionality of system components. Since length of a time series and number of replicates is limited by the cost of experiments, Boolean networks as a structurally simple and parameter-free logical model for gene regulatory networks have attracted interests of many scientists. In order to fit into the biological contexts and to lower the data requirements, biological prior knowledge is taken into consideration during the inference procedure. In the literature, the existing identification approaches can only deal with a subset of possible types of prior knowledge. Results: We propose a new approach to identify Boolean networks fromtime series data incorporating prior knowledge, such as partial network structure, canalizing property, positive and negative unateness. Using vector form of Boolean variables and applying a generalized matrix multiplication called the semi-tensor product (STP), each Boolean function can be equivalently converted into a matrix expression. Based on this, the identification problem is reformulated as an integer linear programming problem to reveal the system matrix of Boolean model in a computationally efficient way, whose dynamics are consistent with the important dynamics captured in the data. By using prior knowledge the number of candidate functions can be reduced during the inference. Hence, identification incorporating prior knowledge is especially suitable for the case of small size time series data and data without sufficient stimuli. The proposed approach is illustrated with the help of a biological model of the network of oxidative stress response. Conclusions: The combination of efficient reformulation of the identification problem with the possibility to incorporate various types of prior knowledge enables the application of computational model inference to systems with limited amount of time series data. The general applicability of thismethodological approachmakes it suitable for a variety of biological systems and of general interest for biological and medical research.

Partnerschaften von Wirtschaftsunternehmen und Theaterbetrieben im Raum Oberfranken: Möglichkeiten und Grenzen (2018)

Labrie-Loiselle, Ève-Marie

Die Beziehungen zwischen Kulturbetrieben und Wirtschaftsunternehmen wird in der Forschung bis jetzt von den Perspektiven der Corporate Social Responsibility (CSR) und des Sponsorings aus wirtschaftszentriert theoretisiert. Im regionalen Kontext (Oberfranken/Bayern), konzentriert auf Theaterbetriebe und die mit ihnen verbundenen Wirtschaftsunternehmen ergänzt die Forschungsarbeit die Erkenntnisse in diesem Bereich qualitativ-empirisch. Dazu stützt sie sich auf Leitfadeninterviews mit für das Thema repräsentativen Vertretern der jeweiligen Seite. Diese wurden mithilfe der Qualitativen Experteninterviews-Methode von Robert Kaiser ausgewertet. Es stellt sich heraus, dass die Vorteile für Wirtschaftsunternehmen in der internen Kommunikation (z.B. Mitarbeiterbindung) gleichberechtigt zu denjenigen in der externen Kommunikation (z.B. Imagegewinn) treten. Für die Theater steht die erhöhte Glaubwürdigkeit öffentlicher Unterstützer dank der Kooperation mit den Unternehmen über deren direkten finanziellen Zuwendungen. Es ist von Interesse für kooperierende Theaterbetriebe und Wirtschaftsunternehmen, eine partnerschaftszentrierte Perspektive einzunehmen. Die Theater könnten aufgrund dieser Einstellung von der Expertise ihrer Partnerunternehmen profitieren, um eigene Organisationsprozesse zu optimieren.

Heap-based reasoning about asynchronous programs (2018)

Kloos, Johannes

Asynchronous concurrency is a wide-spread way of writing programs that deal with many short tasks. It is the programming model behind event-driven concurrency, as exemplified by GUI applications, where the tasks correspond to event handlers, web applications based around JavaScript, the implementation of web browsers, but also of server-side software or operating systems. This model is widely used because it provides the performance benefits of concurrency together with easier programming than multi-threading. While there is ample work on how to implement asynchronous programs, and significant work on testing and model checking, little research has been done on handling asynchronous programs that involve heap manipulation, nor on how to automatically optimize code for asynchronous concurrency. This thesis addresses the question of how we can reason about asynchronous programs while considering the heap, and how to use this this to optimize programs. The work is organized along the main questions: (i) How can we reason about asynchronous programs, without ignoring the heap? (ii) How can we use such reasoning techniques to optimize programs involving asynchronous behavior? (iii) How can we transfer these reasoning and optimization techniques to other settings? The unifying idea behind all the results in the thesis is the use of an appropriate model encompassing global state and a promise-based model of asynchronous concurrency. For the first question, We start from refinement type systems for sequential programs and extend them to perform precise resource-based reasoning in terms of heap contents, known outstanding tasks and promises. This extended type system is known as Asynchronous Liquid Separation Types, or ALST for short. We implement ALST in for OCaml programs using the Lwt library. For the second question, we consider a family of possible program optimizations, described by a set of rewriting rules, the DWFM rules. The rewriting rules are type-driven: We only guarantee soundness for programs that are well-typed under ALST. We give a soundness proof based on a semantic interpretation of ALST that allows us to show behavior inclusion of pairs of programs. For the third question, we address an optimization problem from industrial practice: Normally, JavaScript files that are referenced in an HTML file are be loaded synchronously, i.e., when a script tag is encountered, the browser must suspend parsing, then load and execute the script, and only after will it continue parsing HTML. But in practice, there are numerous JavaScript files for which asynchronous loading would be perfectly sound. First, we sketch a hypothetical optimization using the DWFM rules and a static analysis. To actually implement the analysis, we modify the approach to use a dynamic analysis. This analysis, known as JSDefer, enables us to analyze real-world web pages, and provide experimental evidence for the efficiency of this transformation.

Applying Multi-Radio Access Technologies for Reliability Enhancement in Vehicle-to-Everything Communication (2018)

Lianghai, Ji ; Weinand, Andreas ; Han, Bin ; Schotten, Hans D.

The design of the fifth generation (5G) cellular network should take account of the emerging services with divergent quality of service requirements. For instance, a vehicle-to-everything (V2X) communication is required to facilitate the local data exchange and therefore improve the automation level in automated driving applications. In this work, we inspect the performance of two different air interfaces (i.e., LTE-Uu and PC5) which are proposed by the third generation partnership project (3GPP) to enable the V2X communication. With these two air interfaces, the V2X communication can be realized by transmitting data packets either over the network infrastructure or directly among traffic participants. In addition, the ultra-high reliability requirement in some V2X communication scenarios can not be fulfilled with any single transmission technology (i.e., either LTE-Uu or PC5). Therefore, we discuss how to efficiently apply multi-radio access technologies (multi-RAT) to improve the communication reliability. In order to exploit the multi-RAT in an efficient manner, both the independent and the coordinated transmission schemes are designed and inspected. Subsequently, the conventional uplink is also extended to the case where a base station can receive data packets through both the LTE-Uu and PC5 interfaces. Moreover, different multicast-broadcast single-frequency network (MBSFN) area mapping approaches are also proposed to improve the communication reliability in the LTE downlink. Last but not least, a system level simulator is implemented in this work. The simulation results do not only provide us insights on the performances of different technologies but also validate the effectiveness of the proposed multi-RAT scheme.

Entwicklung virtueller, optischer Sensoren zur Charakterisierung geometrischer Oberflächen (2018)

Torner, François Maurice

Das virtuelle, optische Messen wird in der industriellen Anwendung häufig vernachlässigt. Um optische Messergebnisse jedoch vorhersehbar und zuverlässig zu machen, ist es erforderlich, Sensoren zu modellieren und die Resultate, sogenannte virtuelle Messergebnisse, zu analysieren. Die zulässigen Modellvereinfachungen sind dabei vom zugrunde liegenden, physikalischen Messprinzip abhängig. In dieser Arbeit werden zwei virtuelle, optische Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien unter paraxialen Annahmen modelliert. Zudem werden Untersuchungen zum Übertragungsverhalten der Sensoren angestellt. Beim ersten Sensor handelt es sich um einen winkelauflösenden Streulichtsensor zur Messung der statistischen Verteilung von Gradienten geometrischer Oberflächen. Der zweite Sensor ist ein kurzkohärentes Interferometer zur vertikal hochauflösenden Messung von Topographien. Während dem winkelauflösenden Messprinzip ein inkohärenter Modellansatz zugrunde liegt, werden beim Interferometer kohärente Annahmen getroffen. Mithilfe der Sensormodelle ist es möglich, geometrische Oberflächen virtuell anzutasten und, basierend auf generierten oder real gemessenen Topographiedaten, virtuelle Messungen anzustellen. Auf diese Weise werden umfangreiche Untersuchungen zum Übertragungsverhalten der Sensoren ermöglicht. Darüber hinaus wird ein eigens entwickeltes, VTK-basiertes Programm vorgestellt, das die nichtsequentielle Berechnung optischer Sensoren ermöglicht. Dieses Programm nutzt Ray Tracing zur Simulation nichtsequentieller, optischer Systeme. Des Weiteren werden Ansätze für die parallele Datenverarbeitung mit CUDA® vorgestellt. Der paraxial modellierte, winkelauflösende Streulichtsensor wird demnach zusätzlich nichtsequentiell simuliert und die Ergebnisse der paraxialen und der nichtsequentiellen Berechnung werden gegenübergestellt.

Modelle vs. Dokumente - Konzeptionelle Grundlagen und ihr Einsatz in der Produktentwicklung (2018)

Friedrich, Cynthia

Ziel der Arbeit war es die Verwendung von Modellen und Dokumenten im Produktentwick-lungsprozess vor dem Hintergrund der Aussage, dass sich die Produktentwicklung von einer modellbasierten zu einer dokumentbasierten wandelt, zu untersuchen. Die Betrach-tung von Modellen und Dokumenten auf allgemeiner Ebene hat ergeben, dass sich die beiden Konzepte rein anhand ihrer Definition, ihren Merkmalen und Funktionen nur schwer voneinander unterscheiden lassen und sich somit nicht gegenseitig ausschließen. Die fol-gende zweigeteilte kontextspezifische Untersuchung, zum einen mit dem Fokus auf die traditionelle Sicht der Produktentwicklung und zum anderen mit Fokus auf das Systems Engineering, hat gezeigt, dass in der traditionellen Produktentwicklung die Verwendung von Modellen überwiegt, diese jedoch in der Literatur überwiegend als Dokumente be-zeichnet werden, die Modelle enthalten können. Mit Bezug auf das Systems Engineering konnte eine Fehlbezeichnung bzgl. der Trennung in DBSE und MBSE festgestellt werden, da die Unterscheidung nicht direkt auf der Verwendung von Modellen und Dokumenten basiert, sondern auf einer anderen Art der Informationsübermittlung.

Induktiver Schweißprozess für glasfaserverstärkte Thermoplaste und Stahl (2018)

Hümbert, Martina

Thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde (TP-FKV) rücken aufgrund ihrer guten Verarbeit- und Rezyklierbarkeit immer weiter in den Fokus der Automobilindustrie. Sie können effizient in serientauglichen Fließpress- oder Umformprozessen zu Bauteilen verarbeitet werden und bringen gute chemische, mechanische und thermische Eigenschaften mit. Die resultierenden Bauteile werden anschließend in Baugruppen eingesetzt, deren Strukturbauteile nach wie vor hauptsächlich aus Metallen bestehen. An der Schnittstelle zwischen TP-FKV und Metall entsteht ein Verbindungsproblem, das bisher meist durch Schrauben, Nieten oder Kleben gelöst wird. Allerdings werden diese Verfahren den speziellen Anforderungen der TP-FKV nicht gerecht und bringen zusätzliches Material in das Bauteil ein. TP-FKV eignen sich aufgrund der Schmelzbarkeit der thermoplastischen Matrix für thermische Fügeverfahren. Da die thermoplastische Matrix selbst als Klebstoff genutzt werden kann, entsteht eine flächige Verbindung, ohne dass Bohrungen oder zusätzliches Material notwendig sind. Außerdem kann durch eine geeignete Vorbehandlung der Metalloberfläche ein Formschluss erzielt und so die Festigkeit signifikant gesteigert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden ein diskontinuierlicher und ein kontinuierlicher, induktiver Schweißprozess entwickelt und optimiert. Dazu wurde ein Prüfstand ent-worfen und aufgebaut, der auf beide Prozesse angepasst werden kann. Beim konti-nuierlichen Induktionsschweißen konnte die Prozessgeschwindigkeit durch den Einsatz einer Bauteilkühlung ohne Beeinträchtigung der Fügefestigkeit auf mehr als 1m/min gesteigert werden. Beim diskontinuierlichen Schweißen wurde die bisher verwendete, sehr fehleranfällige temperaturbasierte Prozessregelung durch eine Wegregelung ersetzt. So konnte ein stabiler, voll automatisierter Schweißprozess entwickelt werden. Zum Abschluss wurde die Eignung des Induktionsschweißens für die industrielle Anwendung am Beispiel eines Unterbodenblechs eines Nutzfahrzeuges gezeigt. Hier konnte durch diskontinuierliches Induktionsschweißen in Kombination mit der Vorbehandlung des metallischen Fügepartners durch Laserstrukturierung die gleiche Performance wie bei dem ursprünglichen, genieteten Ansatz erzielt werden. Es steht mit dem Induktionsschweißen also ein Fügeprozess zur Verfügung, der sowohl hinsichtlich Effizienz als auch Festigkeit für die industrielle Anwendung geeignet ist.

Driving Against the Memory Wall: The Role of Memory for Autonomous Driving (2018)

Jung, Matthias ; Wehn, Norbert

Autonomous driving is disrupting the conventional automotive development. In fact, autonomous driving kicks off the consolidation of control units, i.e. the transition from distributed Electronic Control Units (ECUs) to centralized domain controllers. Platforms like Audi’s zFAS demonstrate this very clearly, where GPUs, Custom SoCs, Microcontrollers, and FPGAs are integrated on a single domain controller in order to perform sensor fusion, processing and decision making on a single Printed Circuit Board (PCB). The communication between these heterogeneous components and the algorithms for Advanced Driving Assistant Systems (ADAS) itself requires a huge amount of memory bandwidth, which will bring the Memory Wall from High Performance Computing (HPC) and data-centers directly in our cars. In this paper we highlight the roles and issues of Dynamic Random Access Memories (DRAMs) for future autonomous driving architectures.

A Platform for Analyzing DDR3 and DDR4 DRAMs (2018)

Jung, Matthias ; Mathew, Deepak M. ; M.Eng., Carl C. Rheinländer ; Weis, Christian ; Wehn, Norbert

The authors explore the intrinsic trade-off in a DRAM between the power consumption (due to refresh) and the reliability. Their unique measurement platform allows tailoring to the design constraints depending on whether power consumption, performance or reliability has the highest design priority. Furthermore, the authors show how this measurement platform can be used for reverse engineering the internal structure of DRAMs and how this knowledge can be used to improve DRAM’s reliability.

An End-to-End OCR System for Pashto Cursive Script (2018)

Ahmad, Riaz

Optical Character Recognition (OCR) system plays an important role in digitization of data acquired as images from a variety of sources. Although the area is very well explored for Latin languages, some of the languages based on Arabic cursive script are not yet explored. It is due to many factors: Most importantly are the unavailability of proper data sets and complexities posed by cursive scripts. The Pashto language is one of such languages which needs considerable exploration towards OCR. In order to develop such an OCR system, this thesis provides a pioneering study that explores deep learning for the Pashto language in the field of OCR. The Pashto language is spoken by more than $50$ million people across the world, and it is an active medium both for oral as well as written communication. It is associated with rich literary heritage and contains huge written collection. These written materials present contents of simple to complex nature, and layouts from hand-scribed to printed text. The Pashto language presents mainly two types of complexities (i) generic w.r.t. cursive script, (ii) specific w.r.t. Pashto language. Generic complexities are cursiveness, context dependency, and breaker character anomalies, as well as space anomalies. Pashto specific complexities are variations in shape for a single character and shape similarity for some of the additional Pashto characters. Existing research in the area of Arabic OCR did not lead to an end-to-end solution for the mentioned complexities and therefore could not be generalized to build a sophisticated OCR system for Pashto. The contribution of this thesis spans in three levels, conceptual level, data level, and practical level. In the conceptual level, we have deeply explored the Pashto language and identified those characters, which are responsible for the challenges mentioned above. In the data level, a comprehensive dataset is introduced containing real images of hand-scribed contents. The dataset is manually transcribed and has the most frequent layout patterns associated with the Pashto language. The practical level contribution provides a bridge, in the form of a complete Pashto OCR system, and connects the outcomes of the conceptual and data levels contributions. The practical contribution comprises of skew detection, text-line segmentation, feature extraction, classification, and post-processing. The OCR module is more strengthened by using deep learning paradigm to recognize Pashto cursive script by the framework of Recursive Neural Networks (RNN). Proposed Pashto text recognition is based on Long Short-Term Memory Network (LSTM) and realizes a character recognition rate of $90.78\%$ on Pashto real hand-scribed images. All these contributions are integrated into an application to provide a flexible and generic End-to-End Pashto OCR system. The impact of this thesis is not only specific to the Pashto language, but it is also beneficial to other cursive languages like Arabic, Urdu, and Persian e.t.c. The main reason is the Pashto character set, which is a superset of Arabic, Persian, and Urdu languages. Therefore, the conceptual contribution of this thesis provides insight and proposes solutions to almost all generic complexities associated with Arabic, Persian, and Urdu languages. For example, an anomaly caused by breaker characters is deeply analyzed, which is shared among 70 languages, mainly use Arabic script. This thesis presents a solution to this issue and is equally beneficial to almost all Arabic like languages. The scope of this thesis has two important aspects. First, a social impact, i.e., how a society may benefit from it. The main advantages are to bring the historical and almost vanished document to life and to ensure the opportunities to explore, analyze, translate, share, and understand the contents of Pashto language globally. Second, the advancement and exploration of the technical aspects. Because, this thesis empirically explores the recognition and challenges which are solely related to the Pashto language, both regarding character-set and the materials which present such complexities. Furthermore, the conceptual and practical background of this thesis regarding complexities of Pashto language is very beneficial regarding OCR for other cursive languages.

Die Bedeutung von Empathie und Objektivität für die Qualitätsentwicklung im Bildungssektor (2017)

Krey, Hiltrud

Abstract Die Arbeit zur Rolle von Empathie und Objektivität bei der Qualitätsentwicklung in Schule und Unterricht skizziert verschiedene Aspekte des Bildungssystems und betrachtet die Analyseergebnisse eines Onlinefragebogens, um die Frage nach dem Einfluss von Empathie und Objektivität auf die Qualitätsentwicklung in Schule und Unterricht zu klären. Es wird der schulinterne Qualitätsprozess detailliert beschrieben und das System des unterrichtsbezogenen Qualitätsmanagements (UQM nach H. G. Rolff) als zentrales Merkmal für Schulentwicklung identifiziert. Das Ziel aller Qualitätsentwicklung im Bildungssektor ist die „gute Schule“, die sich den veränderten gesellschaftlichen Herausforderungen stellt und ihre Schüler angemessen auf die Zukunft vorbereitet. Für die Befragten im Forschungsteil ist die Qualitätsentwicklung im Bildungssektor „ein Papiertiger“, „eine Verschwendung von Ressourcen und müsste eher Qualitätshemmung heißen“. Daher wünschen sie sich weniger „Schulinspektionen, didaktische Jahresplanungen, Prozessentwicklungen...“, dafür jedoch „mehr Zeit und Raum für kollegialen Austausch und Beziehungspflege“. Da Chancengerechtigkeit herrschen soll, damit alle Beteiligten in einer sich beschleunigt wandelnden Gegenwart und der dadurch unsicheren Zukunft ein gelingendes und glückliches Leben führen können und Zufriedenheit erreichen, müsste immer Objektivität und Neutralität gegeben sein, denn die Probanden vermuten hinter Subjektivität Beliebigkeit und ungerechte Emotionalität. In der Arbeit wird festgestellt, dass die Emotionen, insbesondere die Empathie eine entscheidende Rolle bei dem Erleben und Erdulden von schulischen und gesellschaftlichen Zwängen haben, und so auf die Qualität im Bildungssektor einwirken. Empathie kann positive wie negative Auswirkungen haben, je nachdem, welches Ziel verfolgt wird. Dabei ist Empathie oft negativ konnotiert und wird direkt mit einer unreflektierten Subjektivität in Verbindung gebracht. Objektivität wird von vielen als Maßstab für Gerechtigkeit gesehen, gilt aber oft nur als Abwesenheit von Emotionalität und Beliebigkeit. Die sozialen Neurowissenschaften und die Neurobiologie liefern die Beweise, dass Gefühle biologisch angelegt sind und in der ontologischen Entwicklung eindeutig dem Verstand und seiner Entwicklung vorausgehen. Deshalb ist eine Nachrangigkeit der Emotionen objektiv gesehen nicht gegeben. So löst sich auch der Körper-Geist-Dualismus auf, der die fachlich-inhaltlichen Kompetenzen als den sozial-emotionalen Fähigkeiten vorrangig sieht.

Oxidant Evolution in Metal-Free Redox Amination Reactions (2018)

Jin, Rongwei

The N-containing heterocycles have received strong attention from the organic synthesis field because of their importance for pharmaceutical and material sciences. Nitrogen element plays an important role between inorganic salts and biomolecules, to search convenient methods combine C-N bond together become a hot topic in recent decades. Since the early beginning of 20th century, transition-metal-catalyzed coupling reactions had been well-known and world widely spread in organic researchs, achieved abundant significant progress. In the other side, the less toxic and more challenging transition metal free coupling method remained further potential value. With the evolution of amination reactions and oxidants, more and more effective, simplified, and atom economic organic synthesis methods will come soon. And these stories also drove me to think about investigating the novel cross-dehydrogenative-coupling amination methods development as the topics of my PhD research. Thus, we selected the phenothiazine derivatives as the N-nucleophile reagents and the phenols as the C-nucleophile reagents. To achieve the transition metal-free CDC aminations of phenols with phenothiazines, we scanned the chemical toolbox and tested a series of both common and uncommon oxidants. Firstly, we start the condition in the presence of cumene and O2. The proposed mechanism initiated by a Hock process, which would form in situ peroxo-species as initiator of the reaction. And the initial infra-red analysis predicted there is a strong O-H..N interaction. In the second method, a series of iodines with different valance have been tested to achieve the C-N bond formation of phenols with phenothiazines. This time, a simplified and more efficient method had been developed, which also provides a wider scope of phenols. Several controlling experiments had been conducted for the plausible pathway research. Large-scale synthesis of target molecular was also successfully performed. And then, we focus the research on the cross-coupling reaction of pre-oxidized(iminated) phenothiazine with ubiquitous phenols and indoles. In this task, we first regio-selectively synthesized the novel iminated phenothiazine derivatives with the traditional biocide and mild disinfectant, Chloramine T. Then the phenothiazinimine performed an ultra-simple condensation technique with phenol or indole coupling partners in a simplified condition. Parallel reactions were also performed to investigate the plausible pathway.

Visualization for Simulation-Based Decision Support in Manufacturing (2018)

Fernandez-Prieto, Diana

Nowadays, the increasing demand for ever more customizable products has emphasized the need for more flexible and fast-changing manufacturing systems. In this environment, simulation has become a strategic tool for the design, development, and implementation of such systems. Simulation represents a relatively low-cost and risk-free alternative for testing the impact and effectiveness of changes in different aspects of manufacturing systems. Systems that deal with this kind of data for its use in decision making processes are known as Simulation-Based Decision Support Systems (SB-DSS). Although most SB-DSS provide a powerful variety of tools for the automatic and semi-automatic analysis of simulations, visual and interactive alternatives for the manual exploration of the results are still open to further development. The work in this dissertation is focused on enhancing decision makers’ analysis capabilities by making simulation data more accessible through the incorporation of visualization and analysis techniques. To demonstrate how this goal can be achieved, two systems were developed. The first system, viPhos – standing for visualization of Phos: Greek for light –, is a system that supports lighting design in factory layout planning. viPhos combines simulation, analysis, and visualization tools and techniques to facilitate the global and local (overall factory or single workstations, respectively) interactive exploration and comparison of lighting design alternatives. The second system, STRAD - standing for Spatio-Temporal Radar -, is a web-based systems that considers the spatio/attribute-temporal analysis of event data. Since decision making processes in manufacturing also involve the monitoring of the systems over time, STRAD enables the multilevel exploration of event data (e.g., simulated or historical registers of the status of machines or results of quality control processes). A set of four case studies and one proof of concept prepared for both systems demonstrate the suitability of the visualization and analysis strategies adopted for supporting decision making processes in diverse application domains. The results of these case studies indicate that both, the systems as well as the techniques included in the systems can be generalized and extended to support the analysis of different tasks and scenarios.

Das 2,2′-Bipyrimidinradikalanion als Brückenligand für Komplexe mit L-N$_\text{4}$Me$_\text{2}$ (2018)

Reh, Manuel

Im Rahmen dieser Dissertationsschrift gelang es erstmals 3d-Metallionen über ein 2,2′-Bipyrimidinradikalanion zu verbrücken und zu isolieren. Der für sich betrachtet instabile Radikalbrückenligand wurde hierbei in situ durch Reduktion mit Cobaltocen generiert und durch Koordination stabilisiert. Es konnte neben verschiedenen Referenzverbindungen eine Reihe von vier unter Luftausschluss stabilen homodimetallischen Verbindungen mit dem [{M$^\text{II}$(L-N$_\text{4}$Me$_\text{2}$)}$_\text{2}$(μ-bpym$^\text{●}$)]$^\text{3+}$-Komplexkation (mit M = Zn ($\textbf{2}$), Ni ($\textbf{6}$), Co ($\textbf{8}$) und Fe ($\textbf{12}$) synthetisiert, vollständig charakterisiert und miteinander verglichen werden. Durch Gegenüberstellung der strukturellen Parameter des verbrückend koordinierten 2,2′-Bipyrimidinradikalanions in den zweikernigen Verbindungen wurden für dieses charakteristische Bindungslängenbereiche festgestellt. Weiterhin wurden IR- und UV/Vis-spektroskopisch typische Banden des verbrückend koordinierten 2,2′-Bipyrimidinradikalanions gefunden. Durch cyclovoltammetrische und NMR-spektroskopische Untersuchungen wurde der Reaktionspfad zu den dinuklearen Verbindungen aufgeklärt. An $\textbf{2}$ wurden die intrinsischen ESR-spektroskopischen Eigenschaften der 2,2′-Bipyrimidinradikalanion-Brücke untersucht. Die Elektronendichte des Radikals in $\textbf{2}$ ist hauptsächlich auf dem Brückenliganden verortet und es liegt ein S = 1/2 System vor. SQUID-magnetometrische Messungen an $\textbf{6}$ zeigen eine starke ferromagnetische Kopplung zwischen den Nickelionen und der Radikalbrücke, welche zu einem S = 5/2 Spingrundzustand führt. Der S = 5/2 Zustand wurde mittels X-Band-ESR-Spektroskopie bestätigt. Durch Hochfeld-ESR-Spektroskopie wurde ebenfalls die ferromagnetische Kopplung bestätigt und die Nullfeldaufspaltung der Nickelionen in $\textbf{6}$ eindeutig als schwach negativ bestimmt. Röntgenkristallographische Untersuchungen an $\textbf{8}$ zeigen bei D$_\text{2h}$-Symmetrie einen über einen weiten Temperaturbereich stabilen low-spin/high-spin Zustand der beiden Cobaltionen. Dies alleine ist für Cobaltionen nach bisherigem Kenntnisstand einzigartig. $\textbf{8}$ ist zudem die erste Verbindung, in welcher diese Begebenheiten mit einem direkt an die Metallzentren koordinierten Radikalbrückenliganden kombiniert vorliegen. Der low-spin/high-spin Zustand wurde weiterhin durch EXAFS- und XANES-Messungen verifiziert. Mit der Verbindung [{Co(L-N$_\text{4}$Me$_\text{2}$)}$_\text{2}$(μ-Ph$_\text{2}$bpym$^\text{●}$)](ClO$_\text{4}$)$_\text{3}$ ($\textbf{10}$) wurde eine weitere radikalverbrückte Verbindung synthetisiert, in der beide Cobaltionen bei identischer Koordinationsumgebung über einen weiten Temperaturbereich in unterschiedlichem Spinzustand vorliegen. SQUID-magnetometrische Untersuchungen an $\textbf{8}$ und $\textbf{10}$ zeigen, dass in beiden Verbindungen die low-spin Cobaltionen moderat ferro-, die high-spin Cobaltionen stark antiferromagnetisch mit der jeweiligen Radikalbrücke koppeln, was in beiden Fällen zu einem S = 3/2 Grundzustand führt. Der S = 3/2 Grundzustand wurde ebenfalls durch X-Band-ESR-Spektroskopie bestätigt. In $\textbf{8}$ und $\textbf{10}$ konnte jeweils ein Spincrossover des low-spin Cobaltions zum high-spin Zustand festgestellt werden. Dieser wurde mittels XRD-Analytik und SQUID-Magnetometrie für beide Verbindungen und für $\textbf{8}$ zusätzlich durch EXAFS-Messungen, XANES-Messungen und temperaturabhängige IR-Spektroskopie nachgewiesen. Die Spincrossovereigenschaften sind zusammen mit den anderen vorgenannten Eigenschaften dieser neuen zweikernigen Cobaltverbindungsklasse ein weiteres Alleinstellungsmerkmal. Die einkernigen Referenzverbindungen [Co(L-N$_\text{4}$Me$_\text{2}$)(bpym)](ClO$_\text{4}$)$_\text{2}$ ($\textbf{9a}$) und [Co(L-N$_\text{4}$Me$_\text{2}$)(Ph$_\text{2}$bpym)](ClO$_\text{4}$)$_\text{2}$ ∙ MeCN ($\textbf{11}$) zeigen jeweils ebenfalls Spincrossovereigenschaften, was mittels SQUID-Magnetometrie und im Fall von $\textbf{11}$ zusätzlich durch XRD-Analytik und temperaturabhängige IR-Spektroskopie nachgewiesen wurde. In $\textbf{12}$ liegen beide Eisenionen im low-spin Zustand vor. Dies wurde röntgenkristallographisch und mittels Mößbauer-Spektroskopie bestätigt. X-Band-ESR-spektroskopisch wird ein Signal einer S = 1/2 Spezies gefunden, welches durch das brückenligandzentrierte Radikal hervorgerufen wird.

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern 2018.05 (2018)

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern Nr. 5/30.05.2018

„Emergente“ Personalentwicklung, ein konzeptioneller Ansatz zur Agilisierung von Personalentwicklung in Reflexion aktueller wissenschaftlicher Erkenntnisse. (2018)

Oberkirsch, René

Mit der Arbeit wurde versucht einen Gestaltungsansatz für emergente Personalentwicklung zu erarbeiten, um Verhaltensänderungen sowie den Aufbau von Handlungskompetenz in Unternehmen schnell und hochwertig sicherzustellen. Ziel hierfür war es, auf Basis der Überlegungen zum emergenten Wandel die Determinanten für schnelle und gleichzeitig nachhaltige PE in weiteren themenverbundenen Theorien festzustellen, um sie anschließend konzeptionell aufzubereiten. Um sich diesem Ziel anzunähern, verschaffte sich der Verfasser zunächst einen Überblick über das Themenfeld. So konnte festgestellt werden, in welchem Wirkungsgefüge sich Personalentwicklung und emergenter Wandel befinden. Es wurde schnell deutlich, dass Personalentwicklung eng mit dem organisationalen Wandel innerhalb eines komplexen Systems verbunden ist. Auf Basis der Anforderungen durch die sogenannte VUCA Arbeitswelt wurden relevante Begriffe hergeleitet und definiert. Anschließend wurden Kriterien entwickelt, die die Analyse weiterer Literatur auf der Suche nach Determinanten erleichtern. Mithilfe der theoretischen Aufarbeitung zum Themengebiet war es möglich Analyseobjekte zu definieren, die im direkten Zusammenhang mit den Herausforderungen der VUCA-Arbeitswelt stehen und die potenziell auch für emergente PE wichtig erscheinen. Mittels einer explorativen Literaturanalyse wurden in den Themenbereichen Innovationsmanagement, Improvisation und agiles Lernen, Aspekte für die Gestaltung emergenter Personalentwicklung extrahiert und zusammengetragen. Der so entstandene Pool wurde in einer tabellarischen Gegenüberstellung weiter strukturiert und auf Kernaussagen reduziert, um schließlich einen Gestaltungsansatz ableiten zu können. Die wissenschaftliche Suchbewegung dieser Arbeit stützte sich inhaltlich auf die Bewältigung von Komplexität mittels agiler Handlungsweisen. Der Auftrag emergenter PE sollte hierbei sein, die Wirkung emergenten Wandels aus dem Umfeld einer Organisation abzumildern, indem durch die Ermöglichung emergenter Entwicklungsprozesse die Flexibilitätspotenziale ihrer Zielgruppen gefördert werden.

Structure-Property Relationships in Rubber/Layered Silicate Nanocomposites (2005)

Gatos, Konstantinos, G.

The scientific and industrial interest devoted to polymer/layered silicate nanocomposites due to their outstanding properties and novel applications resulted in numerous studies in the last decade. They cover mostly thermoplastic- and thermoset-based systems. Recently, studies in rubber/layered silicate nanocomposites were started, as well. It was presented how complex maybe the nanocomposite formation for the related systems. Therefore the rules governing their structure-property relationships have to be clarified. In this Thesis, the related aspects were addressed. For the investigations several ethylene propylene diene rubbers (EPDM) of polar and non-polar origin were selected, as well as, the more polar hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber (HNBR). The polarity was found to be beneficial on the nanocomposite formation as it assisted to the intercalation of the polymer chains within the clay galleries. This favored the development of exfoliated structures. Finding an appropriate processing procedure, i.e. compounding in a kneader instead of on an open mill, the mechanical performance of the nanocomposites was significantly improved. The complexity of the nanocomposite formation in rubber/organoclay system was demonstrated. The deintercalation of the organoclay observed, was traced to the vulcanization system used. It was evidenced by an indirect way that during sulfur curing, the primary amine clay intercalant leaves the silicate surface and migrates in the rubber matrix. This was explained by its participation in the sulfur-rich Zn-complexes created. Thus, by using quaternary amine clay intercalants (as it was presented for EPDM or HNBR compounds) the deintercalation was eliminated. The organoclay intercalation/deintercalation detected for the primary amine clay intercalants, were controlled by means of peroxide curing (as it was presented for HNBR compounds), where the vulcanization mechanism differs from that of the sulfur curing. The current analysis showed that by selecting the appropriate organoclay type the properties of the nanocomposites can be tailored. This occurs via generating different nanostructures (i.e. exfoliated, intercalated or deintercalated). In all cases, the rubber/organoclay nanocomposites exhibited better performance than vulcanizates with traditional fillers, like silica or unmodified (pristine) layered silicates.The mechanical and gas permeation behavior of the respective nanocomposites were modelled. It was shown that models (e.g. Guth’s or Nielsen’s equations) developed for “traditional” vulcanizates can be used when specific aspects are taken into consideration. These involve characteristics related to the platy structure of the silicates, i.e. their aspect ratio after compounding (appearance of platelet stacks), or their orientation in the rubber matrix (order parameter).

Mikroschadstoffe aus Abwasseranlagen in Rheinland-Pfalz (2015)

Am 25.11.2015 fand in Kaiserslautern die Fachtagung „Mikroschadstoffe aus Abwasseranlagen in Rheinland-Pfalz“ statt. Veranstalter waren das Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft und das Zentrum für innovative AbWassertechnologien (tectraa) an der Technischen Universität Kaiserslautern, die Wupperverbandsgesellschaft für integrale Wasserwirtschaft (WiW) sowie das Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Ernährung, Weinbau und Forsten des Landes Rheinland-Pfalz (MULEWF). Hintergrund der Veranstaltung war das Forschungsprojekt „Relevanz, Möglichkeiten und Kosten einer Elimination von Mikroschadstoffen auf kommunalen Kläranlagen in Rheinland-Pfalz, aufgezeigt am Beispiel der Nahe - Mikro_N“, das tectraa in Zusammenarbeit mit WiW im Auftrag des MULEWF durchgeführt hat. Im Rahmen der Fachtagung wurden sowohl Projektergebnisse vorgestellt als auch allgemein relevante Fragestellungen zum Thema Mikroschadstoffe beleuchtet. Rahmenbedingungen sowie Perspektiven für eine Elimination der Mikroschadstoffe bildeten weitere inhaltliche Schwerpunkte der Veranstaltung.

Formation of a lysine-derived protein conjugate from reaction of (E,E)-muconaldehyde, a potentially hematotoxic metabolite of benzene, with serum albumin (2018)

Emanuel, Matthias Stefan

Benzene is a natural constituent of crude oil and a product of incomplete combustion of petrol and has been classified as “carcinogenic to humans” by IARC in 1982 (IARC 1982). (E,E)- Muconaldehyde has been postulated to be a microsomal metabolite of benzene in vitro (Latriano et al. 1986). (E,E)-Muconaldehyde is hematotoxic in vivo and its role in the hematotoxicity of benzene is unclear (Witz et al. 1985). We intended to ascertain the presence of (E,E)-muconaldehyde in vivo by detection of a protein conjugate deriving from (E,E)-muconaldehyde. Therefore we improved the current synthetic access to (E,E)-muconaldehyde. (E,E)- muconaldehyde was synthesized in three steps starting from with (E,E)-muconic acid in an overall yield of 60 %. Reaction of (E,E)-muconaldehyde with bovine serum albumin resulted in formation of a conjugate which was converted upon addition of NaBH4 to a new species whose HPLC- retention time, UV spectra, Q1 mass and MS2 spectra matched those of the crude reaction product from one pot conversion of Ac-Lys-OMe with (E,E)-muconaldehyde in the presence of NaBH4 and subsequent cleavage of protection groups. Synthetic access to the presumed structure (S)-2-ammonio-6-(((E,E)-6-oxohexa-2,4-dien-1- yl)amino)hexanoate (Lys(MUC-CHO)) was provided in eleven steps starting from (E,E)- muconic acid and Lys(Z)-OtBu*HCl in 2 % overall yield. Additionally synthetic access to (S)-2-ammonio-6-(((E,E)-6-hydroxyhexa-2,4-dien-1-yl)amino)hexanoate (Lys(MUC-OH)) and (S)-2-ammonio-6-((6-hydroxyhexyl)amino)hexanoate (IS) was provided. With synthetic reference material at hand, the presumed structure Lys(MUC-OH) could be identified from incubations of (E,E)-muconaldehyde with bovine serum albumin via HPLC-ESI+- MS/MS. Cytotoxicity analysis of (E,E)-muconaldehyde and Lys(MUC-CHO) in human promyelocytic NB4 cells resulted in EC50 ≈ 1 μM for (E,E)-muconaldehyde. Lys(MUC-CHO) did not show any additional cytotoxicity up to 10 μM. B6C3F1 mice were exposed to 0, 400 and 800 mg/kg b.w. benzene to examine the formation of Lys(MUC-OH) in vivo. After 24 h mice were sacrificed and serum albumin was isolated. Analysis for Lys(MUC-OH) has not been performed in this work.

Scalable Human-Centered Decision Making Processes in Virtual Environments (2018)

Rupprecht, Franca-Alexandra

Collaboration aims to increase the efficiency of problem solving and decision making by bringing diverse areas of expertise together, i.e., teams of experts from various disciplines, all necessary to come up with acceptable concepts. This dissertation is concerned with the design of highly efficient computer-supported collaborative work involving active participation of user groups with diverse expertise. Three main contributions can be highlighted: (1) the definition and design of a framework facilitating collaborative decision making; (2) the deployment and evaluation of more natural and intuitive interaction and visualization techniques in order to support multiple decision makers in virtual reality environments; and (3) the integration of novel techniques into a single proof-of-concept system. Decision making processes are time-consuming, typically involving several iterations of different options before a generally acceptable solution is obtained. Although, collaboration is an often-applied method, the execution of collaborative sessions is often inefficient, does not involve all participants, and decisions are often finalized with- out the agreement of all participants. An increasing number of computer-supported cooperative work systems (CSCW) facilitate collaborative work by providing shared viewpoints and tools to solve joint tasks. However, most of these software systems are designed from a feature-oriented perspective, rather than a human-centered perspective and without the consideration of user groups with diverse experience and joint goals instead of joint tasks. The aim of this dissertation is to bring insights to the following research question: How can computer-supported cooperative work be designed to be more efficient? This question opens up more specific questions like: How can collaborative work be designed to be more efficient? How can all participants be involved in the collaboration process? And how can interaction interfaces that support collaborative work be designed to be more efficient? As such, this dissertation makes contributions in: 1. Definition and design of a framework facilitating decision making and collaborative work. Based on examinations of collaborative work and decision making processes requirements of a collaboration framework are assorted and formulated. Following, an approach to define and rate software/frameworks is introduced. This approach is used to translate the assorted requirements into a software’s architecture design. Next, an approach to evaluate alternatives based on Multi Criteria Decision Making (MCDM) and Multi Attribute Utility Theory (MAUT) is presented. Two case studies demonstrate the usability of this approach for (1) benchmarking between systems and evaluates the value of the desired collaboration framework, and (2) ranking a set of alternatives resulting from a decision-making process incorporating the points of view of multiple stake- holders. 2. Deployment and evaluation of natural and intuitive interaction and visualization techniques in order to support multiple diverse decision makers. A user taxonomy of industrial corporations serves to create a petri network of users in order to identify dependencies and information flows between each other. An explicit characterization and design of task models was developed to define interfaces and further components of the collaboration framework. In order to involve and support user groups with diverse experiences, smart de- vices and virtual reality are used within the presented collaboration framework. Natural and intuitive interaction techniques as well as advanced visualizations of user centered views of the collaboratively processed data are developed in order to support and increase the efficiency of decision making processes. The smartwatch as one of the latest technologies of smart devices, offers new possibilities of interaction techniques. A multi-modal interaction interface is provided, realized with smartwatch and smartphone in full immersive environments, including touch-input, in-air gestures, and speech. 3. Integration of novel techniques into a single proof-of-concept system. Finally, all findings and designed components are combined into the new collaboration framework called IN2CO, for distributed or co-located participants to efficiently collaborate using diverse mobile devices. In a prototypical implementation, all described components are integrated and evaluated. Examples where next-generation network-enabled collaborative environments, connected by visual and mobile interaction devices, can have significant impact are: design and simulation of automobiles and aircrafts; urban planning and simulation of urban infrastructure; or the design of complex and large buildings, including efficiency- and cost-optimized manufacturing buildings as task in factory planning. To demonstrate the functionality and usability of the framework, case studies referring to factory planning are demonstrated. Considering that factory planning is a process that involves the interaction of multiple aspects as well as the participation of experts from different domains (i.e., mechanical engineering, electrical engineering, computer engineering, ergonomics, material science, and even more), this application is suitable to demonstrate the utilization and usability of the collaboration framework. The various software modules and the integrated system resulting from the research will all be subjected to evaluations. Thus, collaborative decision making for co-located and distributed participants is enhanced by the use of natural and intuitive multi-modal interaction interfaces and techniques.

Digitale Infrastruktur der Volkshochschulen in Rheinland-Pfalz (2018)

Bolten, Ricarda ; Kohl, Jonathan ; Rohs, Matthias

Die Medienausstattung von Bildungseinrichtungen ist keine hinreichende, aber eine notwendige Voraussetzung, die Möglichkeiten digitaler Medien für die Unterstützung von Lehr-/Lernprozessen zu nutzen. Damit sind in der Regel hohe Investitionen verbunden, die insbesondere für öffentlich geför- derte Einrichtungen der Erwachsenenbildung nur schwer aufzubringen sind. Um aber neue Zielgruppen anzusprechen und den Sprung in das digitale Zeitalter zu schaffen, ist eine entsprechende Medienausstattung unum- gänglich. Allerdings liegen bisher kaum Daten dazu vor, wie die Ausstattung der Ein- richtungen der Weiterbildung mit digitalen Medien aussieht. Lediglich ein- zelne Volkshochschulverbände (z.B. Brandenburg) haben in den letzten Mo- naten Befragungen zur Medienausstattung durchgeführt, um auf Grundlage dieser Bestandsaufnahme Maßnahmen zur digitalen Transformation der Volkshochschulen zu unterstützen, wie sie im Strategiepapier der „Erwei- terten Lernwelten“ festgehalten sind. Vor diesem Hintergrund wurde im Wintersemester 2017/2018 zusammen mit Studierenden des Seminars „Medienpädagogik“ des Studiengangs In- tegrative Sozialwissenschaften der TU Kaiserslautern eine Befragung der Volkshochschulen in Rheinland-Pfalz zur Medienausstattung durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Befragung stellen wir in diesem Bericht vor. Wir möchten uns an dieser Stelle bei den Studierenden, beim Volkshoch- schulverbandes Rheinland-Pfalz und insbesondere auch den Interviewpart- nerinnen und –partnern an den Volkshochschulen in Rheinland-Pfalz für ihre Bereitschaft, Zeit und Auskunft bedanken.

Weiterbildungsangebot Digital Management (2018)

Neureuther, Jessica

Während die Entwicklung wissenschaftlicher Weiterbildungsangebote bisher zumeist dem Ansatz einer Angebotsorientierung folgt, zielt das Projekt auf den Ansatz der Nachfrageorientierung. Im vorliegenden Arbeitsbericht wird die Planung und Entwicklung eines weiterbildenden Studienangebots zum Themenfeld Digitalisierung der Arbeit dokumentiert, welches bedarfsorientiert entwickelt wurde. Nach einem kurzen thematischen Überblick werden zunächst relevante Bedarfserhebungen und -analysen beschrieben. Daran anschließend erfolgt eine Darstellung des hieraus entwickelten Konzepts des Studienangebots „Digital Management“.

Multifunctional metal-carbon-fibre composites for damage tolerant and electrically conductive lightweight structures (2017)

Hannemann, Benedikt

Due to their superior weight-specific mechanical properties, carbon fibre epoxy composites (CFRP) are commonly used in aviation industry. However, their brittle failure behaviour limits the structural integrity and damage tolerance in case of impact (e.g. tool drop, bird strike, hail strike, ramp collision) or crash events. To ensure sufficient robustness, a minimum skin thickness is therefore prescribed for the fuselage, partially exceeding typical service load requirements from ground or flight manoeuvre load cases. A minimum skin thickness is also required for lightning strike protection purposes and to enable state-of-the-art bolted repair technology. Furthermore, the electrical conductivity of CFRP aircraft structures is insufficient for certain applications; additional metal components are necessary to provide electrical functionality (e.g. metal meshes on the outer skin for lightning strike protection, wires for electrical bonding and grounding, overbraiding of cables to provide electromagnetic shielding). The corresponding penalty weights compromise the lightweight potential that is actually given by the structural performance of CFRP over aluminium alloys. Former research attempts tried to overcome these deficits by modifying the resin system (e.g. by addition of conductive particles or toughening agents) but could not prove sufficient enhancements. A novel holistic approach is the incorporation of highly conductive and ductile continuous metal fibres into CFRP. The basic idea of this hybrid material concept is to take advantage of both the electrical and mechanical capabilities of the integrated metal fibres in order to simultaneously improve the electrical conductivity and the damage tolerance of the composite. The increased density of the hybrid material is over-compensated by omitting the need for additional electrical system installation items and by the enhanced structural performance, enabling a reduction of the prescribed minimum skin thickness. Advantages over state-of-the-art fibre metal laminates mainly arise from design and processing technology aspects. In this context, the present work focuses on analysing and optimising the structural and electrical performance of such hybrid composites with shares of metal fibres up to 20 vol.%. Bundles of soft-annealed austenitic steel or copper cladded low carbon steel fibres with filament diameters of 60 or 63 µm are considered. The fibre bundles are distinguished by high elongation at break (32 %) and ultimate tensile strength (900 MPa) or high electrical conductivity (2.4 × 10^7 S/m). Comprehensive researches are carried out on the fibre bundles as well as on unidirectional and multiaxial laminates. Both hybrid composites with homogeneous and accumulated steel fibre arrangement are taken into account. Electrical in-plane conductivity, plain tensile behaviour, suitability for bolted joints as well as impact and perforation performance of the composite are analysed. Additionally, a novel non-destructive testing method based on measurement of deformation-induced phase transformation of the metastable austenitic steel fibres is discussed. The outcome of the conductivity measurements verifies a correlation of the volume conductivity of the composite with the volume share and the specific electrical resistance of the incorporated metal fibres. Compared to conventional CFRP, the electrical conductivity in parallel to the fibre orientation can be increased by one to two orders of magnitude even for minor percentages of steel fibres. The analysis, however, also discloses the challenge of establishing a sufficient connection to the hybrid composite in order to entirely exploit its electrical conductivity. In case of plain tensile load, the performance of the hybrid composite is essentially affected by the steel fibre-resin-adhesion as well as the laminate structure. Uniaxial hybrid laminates show brittle, singular failure behaviour. Exhaustive yielding of the embedded steel fibres is confined to the arising fracture gap. The high transverse stiffness of the isotropic metal fibres additionally intensifies strain magnification within the resin under transverse tensile load. This promotes (intralaminar) inter-fibre-failure at minor composite deformation. By contrast, multiaxial hybrid laminates exhibit distinctive damage evolution. After failure initiation, the steel fibres extensively yield and sustain the load-carrying capacity of angularly (e.g. ±45°) aligned CFRP plies. The overall material response is thus not only a simple superimposition but a complex interaction of the mechanical behaviour of the composite’s constituents. As a result of this post-damage performance, an ultimate elongation of over 11 % can be proven for the hybrid laminates analysed in this work. In this context, the influence of the steel fibre-resin adhesion on the failure behaviour of the hybrid composite is explicated by means of an analytical model. Long term exposure to corrosive media has no detrimental effect on the mechanical performance of stainless steel fibre reinforced composites. By trend, water uptake increases the maximum elongation at break of the hybrid laminate. Moreover, the suitability of CFRP for bolted joints can partially be improved by the integration of steel fibres. While the bearing strength basically remains nearly unaffected, the bypass failure behaviour (ε_{max}: +363 %) as well as the head pull-through resistance (E_{a,BPT}: +81 %) can be enhanced. The improvements primarily concern the load-carrying capacity after failure initiation. Additionally, the integrated ductile steel fibres significantly increase the energy absorption capacity of the laminate in case of progressive bearing failure by up to 63 %. However, the hybrid composite exhibits a sensitive low velocity/low mass impact behaviour. Compared to conventional CFRP, the damage threshold load of very thin hybrid laminates is lower, making them prone for delamination at minor, non-critical impact energies. At higher energy levels, however, the impact-induced delamination spreads less since most of the impact energy is absorbed by yielding of the ductile metal fibres instead of crack propagation. This structural advantage compared to CFRP gains in importance with increasing impact energy. The plastic deformation of the metastable austenitic steel fibres is accompanied by a phase transformation from paramagnetic γ-austenite to ferromagnetic α’-martensite. This change of the magnetic behaviour can be used to detect and evaluate impacts on the surface of the hybrid composite, which provides a simple non-destructive testing method. In case of low velocity/high mass impact, integration of ductile metal fibres into CFRP enables to address spacious areas of the laminate for energy absorption purposes. As a consequence, the perforation resistance of the hybrid composite is significantly enhanced; by addition of approximately 20 vol.% of stainless steel fibres, the perforation strength can be increased by 61 %, while the maximum energy absorption capacity rises by 194 %.

Visualizing Multi-Variate Process Data: Concepts, Applications, and Evaluation (2018)

Schöffel, Sebastian

Due to the steadily growing flood of data, the appropriate use of visualizations for efficient data analysis is as important today as it has never been before. In many application domains, the data flood is based on processes that can be represented by node-link diagrams. Within such a diagram, nodes may represent intermediate results (or products), system states (or snapshots), milestones or real (and possibly georeferenced) objects, while links (edges) can embody transition conditions, transformation processes or real physical connections. Inspired by the engineering sciences application domain and the research project “SinOptiKom: Cross-sectoral optimization of transformation processes in municipal infrastructures in rural areas”, a platform for the analysis of transformation processes has been researched and developed based on a geographic information system (GIS). Caused by the increased amount of available and interesting data, a particular challenge is the simultaneous visualization of several visible attributes within one single diagram instead of using multiple ones. Therefore, two approaches have been developed, which utilize the available space between nodes in a diagram to display additional information. Motivated by the necessity of appropriate result communication with various stakeholders, a concept for a universal, dashboard-based analysis platform has been developed. This web-based approach is conceptually capable of displaying data from various data sources and has been supplemented by collaboration possibilities such as sharing, annotating and presenting features. In order to demonstrate the applicability and usability of newly developed applications, visualizations or user interfaces, extensive evaluations with human users are often inevitable. To reduce the complexity and the effort for conducting an evaluation, the browser-based evaluation framework (BREF) has been designed and implemented. Through its universal and flexible character, virtually any visualization or interaction running in the browser can be evaluated with BREF without any additional application (except for a modern web browser) on the target device. BREF has already proved itself in a wide range of application areas during the development and has since grown into a comprehensive evaluation tool.

Homogeneity and Derivations on Analytic Algebras (2018)

Epure, Raul - Paul

In the present master’s thesis we investigate the connection between derivations and homogeneities of complete analytic algebras. We prove a theorem, which describes a specific set of generators for the module of derivations of an analytic algebra, which map the maximal ideal of R into itself. It turns out, that this set has a structure similar to a Cartan subalgebra and contains information regarding multi-homogeneity. In order to prove this theorem, we extend the notion of grading by Scheja and Wiebe to projective systems and state the connection between multi-gradings and pairwise commuting diagonalizable derivations. We prove a theorem similar to Cartan’s Conjugacy Theorem in the setup of infinite-dimensional Lie algebras, which arise as projective limits of finite-dimensional Lie algebras. Using this result, we can show that the structure of the aforementioned set of generators is an intrinsic property of the analytic algebra. At the end we state an algorithm, which is theoretically able to compute the maximal multi-homogeneity of a complete analytic algebra.

Weiterbildungsstudiengang Interkulturalität und Migration (2018)

Neureuther, Jessica

Während die Entwicklung wissenschaftlicher Weiterbildungsangebote bisher zumeist dem Ansatz einer Angebotsorientierung folgt, zielt das Projekt auf den Ansatz der Nachfrageorientierung. Im vorliegenden Arbeitsbericht wird die Planung und Entwicklung eines weiterbildenden Studienangebots zum Themenfeld Interkulturalität und Migration dokumentiert, welches im ersten Schritt der Entwicklung dem Ansatz der Angebotsorientierung folgte, jedoch in einem weiteren Schritt bedarfsorientiert geprüft und bestätigt bzw. angepasst wird. Nach einem kurzen thematischen Überblick werden zunächst relevante Bedarfserhebungen und –analysen beschrieben. Daran anschließend erfolgt eine Darstellung des hieraus (weiter-) entwickelten Konzepts eines Studienangebots im Bereich Interkulturalität und Migration.

Phase-Field Methods for Deformation Processes in Lithium-Ion Batteries (2018)

Hofmann, Tobias

A fast numerical method for an advanced electro-chemo-mechanical model is developed which is able to capture phase separation processes in porous materials. This method is applied to simulate lithium-ion battery cells, where the complex microstructure of the electrodes is fully resolved. The intercalation of ions into the popular cathode material LFP leads to a separation into lithium-rich and lithium-poor phases. The large concentration gradients result in high mechanical stresses. A phase-field method applying the Cahn-Hilliard equation is used to describe the diffusion. For the sake of simplicity, the linear elastic case is considered. Numerical tests for fully resolved three-dimensional granular microstructures are discussed in detail.

Fachkräfte- und Weiterbildungsbedarfe von Unternehmen in der Region Westpfalz (2018)

Steinmüller, Bastian

Im Sommer 2017 wurde innerhalb des Projekts ‚EB – Entwicklung durch Bildung‘ eine Befragung regional ansässiger Unternehmen durchgeführt. Sie hatte das Ziel, die Fach- kräftebedarfe sowie und Weiterbildungsbedarfe und –anforderungen der Firmen der Westpfalz sichtbar zu machen. Dieser Arbeits- und Forschungsbericht widmet sich der Darstellung dieser Erhebung von ihrer Konzeption bis zur Ergebnisdarstellung. Dies um- fasst die Herleitung des durch die Befragung generierten Mehrwertes aus dem Projekt- kontext ebenso, wie die deskriptive Aufbereitung der Antworten der 161 befragten Un- ternehmen. Neben der Konzeption des Fragebogens werden zusätzlich Herausforderun- gen diskutiert, die sich bei dieser Befragung gestellt haben. Fragebogen, Informations- materialien und Ergebnisse sind dem Bericht angehängt.

Zertifikatsangebot zum Themenfeld „Sozioinformatik" (2018)

Burger, Janina ; Krafft, Tobias D. ; Schwikal, Anita

Im vorliegenden Arbeitsbericht wird die Planung und Entwicklung eines Zertifikatangebots zum Thema Sozioinformatik beschrieben. Die Entwicklung eines Angebots in diesem Bereich wurde durch den Fachbereich Informatik initiiert. Durch regionale Datenerhebungen in der Bevölke-rung und in der Westpfalz ansässigen Unternehmen sowie die Analyse von Sekundärdaten konnte zunächst kein eindeutiger Bedarf in der Region ermittelt werden, wohingegen die So-zioinformatik als junges Forschungsfeld im wissenschaftlichen Diskurs an Bedeutung gewinnt. Zunächst wird die Erschließung des vermuteten Bedarfs beschrieben und daran anschließend das Konzept zum Studienangebot vorgestellt.

Weiterbildungsbedarfe in der Bevölkerung der Region Westpfalz (2018)

Steinmüller, Bastian ; Schwikal, Anita

Dieser Arbeits- und Forschungsbericht stellt die Bevölkerungsumfrage des Projektes ‚EB – Entwicklung durch Bildung‘ von der Konzeption bis zu den Ergebnissen dar. Eingebettet in den Projektkontext wird die Bedeutung von wissenschaftlicher Bildung für die regionale Bevölke-rung betont und herausgearbeitet, welcher Mehrwert sich durch die bedarfsgerechte Entwick-lung von Bildungsangeboten ergibt. Dabei kommt der Erhöhung der Studierbarkeit der Ange-bote mithilfe der erhobenen Untersuchungsergebnisse eine besondere Rolle zu. Die Darstel-lung des inhaltlichen Aufbaus sowie der Durchführung der Befragung erfolgen darauf aufbau-end und münden in eine Besprechung ihrer deskriptiven Ergebnisse. Fragebogen und Ergebnisgrafiken sind dem Text angehängt.

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