With the burgeoning computing power available, multiscale modelling and simulation has these days become increasingly capable of capturing the details of physical processes on different scales. The mechanical behavior of solids is oftentimes the result of interaction between multiple spatial and temporal scales at different levels and hence it is a typical phenomena of interest exhibiting multiscale characteristic. At the most basic level, properties of solids can be attributed to atomic interactions and crystal structure that can be described on nano scale. Mechanical properties at the macro scale are modeled using continuum mechanics for which we mention stresses and strains. Continuum models, however they offer an efficient way of studying material properties they are not accurate enough and lack microstructural information behind the microscopic mechanics that cause the material to behave in a way it does. Atomistic models are concerned with phenomenon at the level of lattice thereby allowing investigation of detailed crystalline and defect structures, and yet the length scales of interest are inevitably far beyond the reach of full atomistic computation and is rohibitively expensive. This makes it necessary the need for multiscale models. The bottom line and a possible avenue to this end is, coupling different length scales, the continuum and the atomistics in accordance with standard procedures. This is done by recourse to the Cauchy-Born rule and in so doing, we aim at a model that is efficient and reasonably accurate in mimicking physical behaviors observed in nature or laboratory. In this work, we focus on concurrent coupling based on energetic formulations that links the continuum to atomistics. At the atomic scale, we describe deformation of the solid by the displaced positions of atoms that make up the solid and at the continuum level deformation of the solid is described by the displacement field that minimize the total energy. In the coupled model, continuum-atomistic, a continuum formulation is retained as the overall framework of the problem and the atomistic feature is introduced by way of constitutive description, with the Cauchy-Born rule establishing the point of contact. The entire formulation is made in the framework of nonlinear elasticity and all the simulations are carried out within the confines of quasistatic settings. The model gives direct account to measurable features of microstructures developed by crystals through sequential lamination.

Hydrogels are known to be covalently or ionic cross-linked, hydrophilic three-dimensional polymer networks, which exist in our bodies in a biological gel form such as the vitreous humour that fills the interior of the eyes. Poly(N-isopropylacrylamide) (poly(NIPAAm)) hydrogels are attracting more interest in biomedical applications because, besides others, they exhibit a well-defined lower critical solution temperature (LCST) in water, around 31–34°C, which is close to the body temperature. This is considered to be of great interest in drug delivery, cell encapsulation, and tissue engineering applications. In this work, the poly(NIPAAm) hydrogel is synthesized by free radical polymerization. Hydrogel properties and the dimensional changes accompanied with the volume phase transition of the thermosensitive poly(NIPAAm) hydrogel were investigated in terms of Raman spectra, swelling ratio, and hydration. The thermal swelling/deswelling changes that occur at different equilibrium temperatures and different solutions (phenol, ethanol, propanol, and sodium chloride) based on Raman spectrum were investigated. In addition, Raman spectroscopy has been employed to evaluate the diffusion aspects of bovine serum albumin (BSA) and phenol through the poly(NIPAAm) network. The determination of the mutual diffusion coefficient, \(D_{mut}\) for hydrogels/solvent system was achieved successfully using Raman spectroscopy at different solute concentrations. Moreover, the mechanical properties of the hydrogel, which were investigated by uniaxial compression tests, were used to characterize the hydrogel and to determine the collective diffusion coefficient through the hydrogel. The solute release coupled with shrinking of the hydrogel particles was modelled with a bi-dimensional diffusion model with moving boundary conditions. The influence of the variable diffusion coefficient is observed and leads to a better description of the kinetic curve in the case of important deformation around the LCST. A good accordance between experimental and calculated data was obtained.

The growing computational power enables the establishment of the Population Balance Equation (PBE) to model the steady state and dynamic behavior of multiphase flow unit operations. Accordingly, the twophase flow behavior inside liquid-liquid extraction equipment is characterized by different factors. These factors include: interactions among droplets (breakage and coalescence), different time scales due to the size distribution of the dispersed phase, and micro time scales of the interphase diffusional mass transfer process. As a result of this, the general PBE has no well known analytical solution and therefore robust numerical solution methods with low computational cost are highly admired. In this work, the Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM) (Attarakih, M. M., Drumm, C., Bart, H.-J. (2009). Solution of the population balance equation using the Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM). Chem. Eng. Sci. 64, 742-752) is extended to take into account the continuous flow systems in spatial domain. In this regard, the SQMOM is extended to solve the spatially distributed nonhomogeneous bivariate PBE to model the hydrodynamics and physical/reactive mass transfer behavior of liquid-liquid extraction equipment. Based on the extended SQMOM, two different steady state and dynamic simulation algorithms for hydrodynamics and mass transfer behavior of liquid-liquid extraction equipment are developed and efficiently implemented. At the steady state modeling level, a Spatially-Mixed SQMOM (SM-SQMOM) algorithm is developed and successfully implemented in a onedimensional physical spatial domain. The integral spatial numerical flux is closed using the mean mass droplet diameter based on the One Primary and One Secondary Particle Method (OPOSPM which is the simplest case of the SQMOM). On the other hand the hydrodynamics integral source terms are closed using the analytical Two-Equal Weight Quadrature (TEqWQ). To avoid the numerical solution of the droplet rise velocity, an analytical solution based on the algebraic velocity model is derived for the particular case of unit velocity exponent appearing in the droplet swarm model. In addition to this, the source term due to mass transport is closed using OPOSPM. The resulting system of ordinary differential equations with respect to space is solved using the MATLAB adaptive Runge–Kutta method (ODE45). At the dynamic modeling level, the SQMOM is extended to a one-dimensional physical spatial domain and resolved using the finite volume method. To close the mathematical model, the required quadrature nodes and weights are calculated using the analytical solution based on the Two Unequal Weights Quadrature (TUEWQ) formula. By applying the finite volume method to the spatial domain, a semi-discreet ordinary differential equation system is obtained and solved. Both steady state and dynamic algorithms are extensively validated at analytical, numerical, and experimental levels. At the numerical level, the predictions of both algorithms are validated using the extended fixed pivot technique as implemented in PPBLab software (Attarakih, M., Alzyod, S., Abu-Khader, M., Bart, H.-J. (2012). PPBLAB: A new multivariate population balance environment for particulate system modeling and simulation. Procedia Eng. 42, pp. 144-562). At the experimental validation level, the extended SQMOM is successfully used to model the steady state hydrodynamics and physical and reactive mass transfer behavior of agitated liquid-liquid extraction columns under different operating conditions. In this regard, both models are found efficient and able to follow liquid extraction column behavior during column scale-up, where three column diameters were investigated (DN32, DN80, and DN150). To shed more light on the local interactions among the contacted phases, a reduced coupled PBE and CFD framework is used to model the hydrodynamic behavior of pulsed sieve plate columns. In this regard, OPOSPM is utilized and implemented in FLUENT 18.2 commercial software as a special case of the SQMOM. The dropletdroplet interactions (breakage and coalescence) are taken into account using OPOSPM, while the required information about the velocity field and energy dissipation is calculated by the CFD model. In addition to this, the proposed coupled OPOSPM-CFD framework is extended to include the mass transfer. The proposed framework is numerically tested and the results are compared with the published experimental data. The required breakage and coalescence parameters to perform the 2D-CFD simulation are estimated using PPBLab software, where a 1D-CFD simulation using a multi-sectional gird is performed. A very good agreement is obtained at the experimental and the numerical validation levels.

The detection and characterisation of undesired lead structures on shaft surfaces is a concern in production and quality control of rotary shaft lip-type sealing systems. The potential lead structures are generally divided into macro and micro lead based on their characteristics and formation. Macro lead measurement methods exist and are widely applied. This work describes a method to characterise micro lead on ground shaft surfaces. Micro lead is known as the deviation of main orientation of the ground micro texture from circumferential direction. Assessing the orientation of microscopic structures with arc minute accuracy with regard to circumferential direction requires exact knowledge of both the shaft’s orientation and the direction of surface texture. The shaft’s circumferential direction is found by calibration. Measuring systems and calibration procedures capable of calibrating shaft axis orientation with high accuracy and low uncertainty are described. The measuring systems employ areal-topographic measuring instruments suited for evaluating texture orientation. A dedicated evaluation scheme for texture orientation is based on the Radon transform of these topographies and parametrised for the application. Combining the calibration of circumferential direction with the evaluation of texture orientation the method enables the measurement of micro lead on ground shaft surfaces.

Das Problem der Integration heterogener Softwaresysteme stellt sich auch auf dem Gebiet der CAx-Systeme, wie sie in vielfältigen Ausprägungen etwa in der Automobilbranche für die Fahrzeugentwicklung eingesetzt werden. Zunächst werden die heute in diesem Bereich praktizierten Lösungen und die dabei auftretenden Probleme kurz dargestellt. Danach werden der neue Standard für Produktdaten, STEP, und der Standard für die Interoperabilität heterogener Softwaresysteme, CORBA, sowie einige CORBA-Entwurfsmuster erläutert. Als nächstes wird eine auf diesen beiden Standards basierende CAx-Integrationsarchitektur, die im Projekt ANICA entwickelt wurde, vorgestellt und die prinzipielle Vorgehensweise bei ihrer Realisierung beschrieben. Daran anschließend wird über eine erste Umsetzung dieser Architektur in die Praxis berichtet. Zum Abschluß wird kurz auf die gewonnenen Erfahrungen eingegangen und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen gegeben.

Die virtuelle Produktentwicklung in verteilter Umgebung erfordert eine intensive Kommunika-tion zwischen den beteiligten CAx-Systemen. Diese findet bisher in Form des dateibasierten Datenaustausches mit Hilfe von Direktkonvertern oder neutralen Schnittstellen statt. Der Datenaustausch wird hierbei meist in mehreren Iterationsschleifen durchgeführt und ist oft mit Datenverlusten sowie Unterbrechungen der Entwicklungsaktivitäten verbunden. Demgegenüber steht als neuer Ansatz für die Interoperabilität zwischen CAx-Systemen das Konzept eines CAx-Objektbusses auf Basis von CORBA und STEP. Dieser Ansatz ermög-licht eine plattformübergreifende Online-Kopplung heterogener CAx-Systeme. Im Gegensatz zum dateibasierten Datenaustausch ist hierbei ein transparenter Zugriff sowohl auf Daten als auch auf Funktionen der angebundenen Systeme möglich. Dadurch kann die Durchgängigkeit der Produktdaten in der Prozeßkette deutlich erhöht werden. Zur Beurteilung der Praxistauglichkeit wird dieser neue Ansatz dem dateibasierten Daten-austausch am Beispiel virtueller Einbauuntersuchungen gegenübergestellt. Dabei werden für unterschiedliche praxisrelevante Modellgrößen die für die Übertragung von Geometrie und Topologie erforderlichen Zeiten analysiert und verglichen. Weiterhin werden die generellen Vor- und Nachteile der beiden Lösungen dargestellt. Abschließend wird auf die Potentiale des neuen Ansatzes für den Einsatz in anderen Bereichen eingegangen.

Today, the worlds and terminologies of mechanical engineering and software engineering coexist, but they do not always work together seamlessly. Both worlds have developed their own separate formal vocabulary for expressing their concepts as well as for capturing and communicating their respective domain knowledge. But, these two vocabularies are not unified, interwoven, or at least interconnected in a reasonable manner. Thus, the subject of this paper is a comparison of the vocabularies of the two fields, namely feature technology from the area of mechanical engineering and software design patterns from the software engineering domain. Therefore, a certain amount of definitions, history, examples, etc. is presented for features as well as for design patterns. After this, an analysis is carried out to identify analogies and differences. The main intention of this paper is to inform both worlds - mechanical and software engineering - about the other side's terminology and to start a discussion about potential mutual benefits and possibilities to bridge the gap between these two worlds, e.g. to improve the manageability of CAx product development processes.

Within the last decades, a remarkable development in materials science took place -- nowadays, materials are not only constructed for the use of inert structures but rather designed for certain predefined functions. This innovation was accompanied with the appearance of smart materials with reliable recognition, discrimination and capability of action as well as reaction. Even though ferroelectric materials serve smartly in real applications, they also possess several restrictions at high performance usage. The behavior of these materials is almost linear under the action of low electric fields or low mechanical stresses, but exhibits strong non-linear response under high electric fields or mechanical stresses. High electromechanical loading conditions result in a change of the spontaneous polarization direction with respect to individual domains, which is commonly referred to as domain switching. The aim of the present work is to develop a three-dimensional coupled finite element model, to study the rate-independent and rate-dependent behavior of piezoelectric materials including domain switching based on a micromechanical approach. The proposed model is first elaborated within a two-dimensional finite element setting for piezoelectric materials. Subsequently, the developed two-dimensional model is extended to the three-dimensional case. This work starts with developing a micromechanical model for ferroelectric materials. Ferroelectric materials exhibit ferroelectric domain switching, which refers to the reorientation of domains and occurs under purely electrical loading. For the simulation, a bulk piezoceramic material is considered and each grain is represented by one finite element. In reality, the grains in the bulk ceramics material are randomly oriented. This property is taken into account by applying random orientation as well as uniform distribution for individual elements. Poly-crystalline ferroelectric materials at un-poled virgin state can consequently be characterized by randomly oriented polarization vectors. Energy reduction of individual domains is adopted as a criterion for the initiation of domain switching processes. The macroscopic response of the bulk material is predicted by classical volume-averaging techniques. In general, domain switching does not only depend on external loads but also on neighboring grains, which is commonly denoted as the grain boundary effect. These effects are incorporated into the developed framework via a phenomenologically motivated probabilistic approach by relating the actual energy level to a critical energy level. Subsequently, the order of the chosen polynomial function is optimized so that simulations nicely match measured data. A rate-dependent polarization framework is proposed, which is applied to cyclic electrical loading at various frequencies. The reduction in free energy of a grain is used as a criterion for the onset of the domain switching processes. Nucleation in new grains and propagation of the domain walls during domain switching is modeled by a linear kinetics theory. The simulated results show that for increasing loading frequency the macroscopic coercive field is also increasing and the remanent polarization increases at lower loading amplitudes. The second part of this work is focused on ferroelastic domain switching, which refers to the reorientation of domains under purely mechanical loading. Under sufficiently high mechanical loading, however, the strain directions within single domains reorient with respect to the applied loading direction. The reduction in free energy of a grain is used as a criterion for the domain switching process. The macroscopic response of the bulk material is computed for the hysteresis curve (stress vs strain) whereby uni-axial and quasi-static loading conditions are applied on the bulk material specimen. Grain boundary effects are addressed by incorporating the developed probabilistic approach into this framework and the order of the polynomial function is optimized so that simulations match measured data. Rate dependent domain switching effects are captured for various frequencies and mechanical loading amplitudes by means of the developed volume fraction concept which relates the particular time interval to the switching portion. The final part of this work deals with ferroelectric and ferroelastic domain switching and refers to the reorientation of domains under coupled electromechanical loading. If this free energy for combined electromechanical loading exceeds the critical energy barrier elements are allowed to switch. Firstly, hysteresis and butterfly curves under purely electrical loading are discussed. Secondly, additional mechanical loads in axial and lateral directions are applied to the specimen. The simulated results show that an increasing compressive stress results in enlarged domain switching ranges and that the hysteresis and butterfly curves flatten at higher mechanical loading levels.

The polydispersive nature of the turbulent droplet swarm in agitated liquid-liquid contacting equipment makes its mathematical modelling and the solution methodologies a rather sophisticated process. This polydispersion could be modelled as a population of droplets randomly distributed with respect to some internal properties at a specific location in space using the population balance equation as a mathematical tool. However, the analytical solution of such a mathematical model is hardly to obtain except for particular idealized cases, and hence numerical solutions are resorted to in general. This is due to the inherent nonlinearities in the convective and diffusive terms as well as the appearance of many integrals in the source term. In this work two conservative discretization methodologies for both internal (droplet state) and external (spatial) coordinates are extended and efficiently implemented to solve the population balance equation (PBE) describing the hydrodynamics of liquid-liquid contacting equipment. The internal coordinate conservative discretization techniques of Kumar and Ramkrishna (1996a, b) originally developed for the solution of PBE in simple batch systems are extended to continuous flow systems and validated against analytical solutions as well as published experimental droplet interaction functions and hydrodynamic data. In addition to these methodologies, we presented a conservative discretization approach for droplet breakage in batch and continuous flow systems, where it is found to have identical convergence characteristics when compared to the method of Kumar and Ramkrishna (1996a). Apart from the specific discretization schemes, the numerical solution of droplet population balance equations by discretization is known to suffer from inherent finite domain errors (FDE). Two approaches that minimize the total FDE during the solution of the discrete PBEs using an approximate optimal moving (for batch) and fixed (for continuous systems) grids are introduced (Attarakih, Bart & Faqir, 2003a). As a result, significant improvements are achieved in predicting the number densities, zero and first moments of the population. For spatially distributed populations (such as extraction columns) the resulting system of partial differential equations is spatially discretized in conservative form using a simplified first order upwind scheme as well as first and second order nonoscillatory central differencing schemes (Kurganov & Tadmor, 2000). This spatial discretization avoids the characteristic decomposition of the convective flux based on the approximate Riemann Solvers and the operator splitting technique required by classical upwind schemes (Karlsen et al., 2001). The time variable is discretized using an implicit strongly stable approach that is formulated by careful lagging of the nonlinear parts of the convective and source terms. The present algorithms are tested against analytical solutions of the simplified PBE through many case studies. In all these case studies the discrete models converges successfully to the available analytical solutions and to solutions on relatively fine grids when the analytical solution is not available. This is accomplished by deriving five analytical solutions of the PBE in continuous stirred tank and liquid-liquid extraction column for especial cases of breakage and coalescence functions. As an especial case, these algorithms are implemented via a windows computer code called LLECMOD (Liquid-Liquid Extraction Column Module) to simulate the hydrodynamics of general liquid-liquid extraction columns (LLEC). The user input dialog makes the LLECMOD a user-friendly program that enables the user to select grids, column dimensions, flow rates, velocity models, simulation parameters, dispersed and continuous phases chemical components, and droplet phase space-time solvers. The graphical output within the windows environment adds to the program a distinctive feature and makes it very easy to examine and interpret the results very quickly. Moreover, the dynamic model of the dispersed phase is carefully treated to correctly predict the oscillatory behavior of the LLEC hold up. In this context, a continuous velocity model corresponding to the manipulation of the inlet continuous flow rate through the control of the dispersed phase level is derived to get rid of this behavior.

The extraction kinetics of polyphenols, which are leached from red vine leaves, are studied and evaluated using a laboratory robot and nonconventional processing techniques such as ultrasonic (US)-, microwave (MW)-, and pulsed electric field (PEF)-assisted extraction processes. The robotic high-throughput screening reveals optimal extraction conditions at a pH value of 2.5, a temperature of 56 °C, and a solvent mixture of methanol:water:HCl of 50:49:1 v/v/v. Nonconventional processing techniques, such as MW- and US-assisted extraction, have the fastest kinetics and produce the highest polyphenol yield. The non-conventional techniques yield is 2.29 g/L (MW) resp. 2.47 g/L (US) for particles that range in size from 450 to 2000 µm and 2.20 g/L (MW) resp. 2.05 g/L (US) for particles that range from 2000 to 4000 µm. PEF has the lowest yield of polyphenols with 0.94 g/L (450–2000 µm), resp. 0.64 g/L (2000–4000 µm) in comparison to 1.82 g/L (2000 to 4000 µm) in a standard stirred vessel (50 °C). When undried red vine leaves (2000 to 4000 µm) are used the total phenol content is 1.44 g/L with PEF.

This thesis deals with the development of a tractor front loader scale which measures payload continuously, independent of the center of gravity of the payload, and unaffected of the position and movements of the loader. To achieve this, a mathematic model of a common front loader is simplified which makes it possible to identify its parameters by a repeatable and automatic procedure. By measuring accelerations as well as cylinder forces, the payload is determined continuously during the working process. Finally, a prototype was build and the scale was tested on a tractor.

Solid particle erosion is usually undesirable, as it leads to development of cracks and holes, material removal and other degradation mechanisms that as final consequence reduce the durability of the structure imposed to erosion. The main aim of this study was to characterise the erosion behaviour of polymers and polymer composites, to understand the nature and the mechanisms of the material removal and to suggest modifications and protective strategies for the effective reduction of the material removal due to erosion. In polymers, the effects of morphology, mechanical-, thermomechanical, and fracture mechanical- properties were discussed. It was established that there is no general rule for high resistance to erosive wear. Because of the different erosive wear mechanisms that can take place, wear resistance can be achieved by more than one type of materials. Difficulties with materials optimisation for wear reduction arise from the fact that a material can show different behaviour depending on the impact angle and the experimental conditions. Effects of polymer modification through mixing or blending with elastomers and inclusion of nanoparticles were also discussed. Toughness modification of epoxy resin with hygrothermally decomposed polyesterurethane can be favourable for the erosion resistance. This type of modification changes also the crosslinking characteristics of the modified EP and it was established the crosslink density along with fracture energy are decisive parameters for the erosion response. Melt blending of thermoplastic polymers with functionalised rubbers on the other hand, can also have a positive influence whereas inclusion of nanoparticles deteriorate the erosion resistance at low oblique impact angles (30°). The effects of fibre length, orientation, fibre/matrix adhesion, stacking sequence, number, position and existence of interleaves were studied in polymer composites. Linear and inverse rules of mixture were applied in order to predict the erosion rate of a composite system as a function of the erosion rate of its constituents and their relative content. Best results were generally delivered with the inverse rule of mixture approach. A semi-empirical model, proposed to describe the property degradation and damage growth characteristics and to predict residual properties after single impact, was applied for the case of solid particle erosion. Theoretical predictions and experimental results were in very good agreement. Strahlerosionsverschleiß (Erosion) entsteht beim Auftreffen von festen Partikel auf Oberflächen und zeichnet sich üblicherweise durch einen Materialabtrag aus, der neben der Partikelgeschwindigkeit und dem Auftreffwinkel stark vom jeweiligen Werkstoff abhängt. In den letzten Jahren ist die Anwendung von Polymeren und Verbundwerkstoffen anstelle der traditionellen Materialien stark angestiegen. Polymere und Polymer-Verbundwerkstoffe weisen eine relativ hohe Erosionsrate (ER) auf, was die potenzielle Anwendung dieser Werkstoffe unter erosiven Umgebungsbedingungen erheblich einschränkt. Untersuchungen des Erosionsverhaltens anhand ausgewählter Polymere und Polymer-Verbundwerkstoffe haben gezeigt, dass diese Systeme unterschiedlichen Verschleißmechnismen folgen, die sehr komplex sind und nicht nur von einer Werkstoffeigenschaft beeinflusst werden. Anhand der ER kann das Erosionsverhalten grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: sprödes und duktiles Erosionsverhalten. Das spröde Erosionsverhalten zeigt eine maximale ER bei 90°, während das Maximum bei dem duktilen Verhalten bei 30° liegt. Ob ein Material das eine oder das andere Erosionsverhalten aufweist, ist nicht nur von seinen Eigenschaften, sondern auch von den jeweiligen Prüfparametern abhängig. Das Ziel dieser Forschungsarbeit war, das grundsätzliche Verhalten von Polymeren und Verbundwerkstoffen unter dem Einfluss von Erosion zu charakterisieren, die verschiedenen Verschleißmechanismen zu erkennen und die maßgeblichen Materialeigenschaften und Kennwerte zu erfassen, um Anwendungen dieser Werkstoffe unter Erosionsbedingungen zu ermöglichen bzw. zu verbessern. An einer exemplarischen Auswahl von Polymeren, Elastomeren, modifizierten Polymeren und Faserverbundwerkstoffen wurden die wesentlichen Einflussfaktoren für die Erosion experimentell bestimmt. Thermoplastische Polymere und thermoplastische- und vernetzte- Elastomere Die Versuche, den Erosionswiderstand ausgewählter Polymere (Polyethylene und Polyurethane) mit verschiedenen Materialeigenschaften zu korrelieren, haben gezeigt, dass es weder eine klare Abhängigkeit von einzelnen Kenngrößen noch von Eigenschaftskombinationen gibt. Möglicherweise führt die Bestimmung der Materialeigenschaften unter den gleichen experimentellen Bedingungen wie bei den Erosionsversuchen zu einer besseren Korrelation zwischen ER und Materialkenngröße. Modifiziertes Epoxidharz Am Beispiel eines modifizierten Epoxidharzes (EP) mit verschiedener Vernetzungsdichte wurde eine Korrelation zwischen Erosionswiderstand und Bruchenergie bzw. Erosionswiderstand und Vernetzungsdichte gefunden. Die Modifizierung erfolgte mit verschiedenen Anteilen von einem hygrothermisch abgebauten Polyurethan (HD-PUR). Der Zusammenhang zwischen ER und Vernetzungsparametern steht im Einklang mit der Theorie der Kautschukelastizität. Modifizierungseffizienz in Duromeren, Thermoplasten und Elastomeren Des weiteren wurde der Einfluss von Modifizierungen von Polymeren und Elastomeren untersucht. Mit dem obenerwähnten System (d.h. EP/HD-PUR) läßt sich auch der Einfluss der Zähigkeitsmodifizierung des Epoxidharzes (EP) auf das Erosionsverhalten untersuchen. Es wurde gezeigt, dass für HD-PUR Anteile von mehr als 20 Gew.% diese Modifizierung einen positiven Einfluss auf die Erosionsbeständigkeit hat. Durch Variation der HD-PUR-Anteile können für dieses EP Materialeigenschaften, die zwischen den Eigenschaften eines üblichen Duroplasten und eines weniger elastischen Gummis liegen, erzeugt werden. Deswegen stellt der modifizierte EP-Harz ein sehr gutes Modellmaterial dar, um den Einfluss der experimentellen Bedingungen zu studieren, und zu untersuchen, ob verschiedene Erodenten zu gleichen Erosionsmechanismen führen. Der Übergang vom duroplastischen zum zähen Verhalten wurde anhand von vier Erodenten untersucht. Aus den Versuchen ergab sich, dass ein solcher Übergang auftritt, wenn sehr feine, kantige Partikel (Korund) als Erodenten dienen. Die Partikelgröße und -form ist von entscheidender Bedeutung für die jeweiligen Verschleißmechanismen. Die Effizienz neuartiger thermoplastischer Elastomere mit einer cokontinuierlichen Phasenstruktur, bestehend aus thermoplastischem Polyester und Gummi (funktionalisierter NBR und EPDM Kautschuk), wurde in Bezug auf die Erosionsbeständigkeit untersucht. Große Anteile von funktionalisiertem Gummi (mehr als 20 Gew.%) sind vorteilhaft für den Erosionswiderstand. Weiterhin wurde untersucht, ob sich die herausragende Erosionsbeständigkeit von Polyurethan (PUR) durch Zugabe von Nanosilikaten eventuell noch steigern läßt. Das Ergebnis war, dass die Nanopartikel sich vor allem bei einem kleinen Verschleißwinkel (30°) negativ auswirken. Die schwache Adhäsion zwischen Matrix und Partikeln erleichtert den Beginn und das Wachsen von Rissen. Dies führt zu einem schnelleren Materialabtrag von der Materialoberfläche. Faserverbundwerkstoffe Ferner wurden Faserverbundwerkstoffe (FVW) mit thermoplastischer und duromerer Matrix auf ihr Verhalten bei Erosivverschleiß untersucht. Es war von großem Interesse, den Einfluss von Faserlänge und -orientierung zu untersuchen. Kurzfaserverstärkte Systeme haben einen besseren Erosionswiderstand als die unidirektionalen (UD) Systeme. Die Rolle der Faserorientierung kann man nur in Verbindung mit anderen Parametern, wie Matrixzähigkeit, Faseranteil oder Faser- Matrix Haftung, berücksichtigen. Am Beispiel von GF/PP Verbunden weisen die parallel zur Verstreckungsrichtung gestrahlten Systeme den geringsten Widerstand auf. Andererseits findet bei einem GF/EP System die maximale ER in senkrechter Richtung statt. Eine Verbesserung der Grenzflächenscherfestigkeit beeinflusst die Erosionsverschleißrate nachhaltig. Wenn die Haftung der Grenzfläche ausreichend ist, spielt die Erosionsrichtung eine unbedeutende Rolle für die ER. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Präsenz von zähen Zwischenschichten zu einer deutlichen Verbesserung des Erosionswiderstands von CF/EP- Verbunden führt. Eine weitere Aufgabenstellung war es, die Rolle des Faservolumenanteils zu bestimmen. „Lineare, inverse und modifizierte Mischungsregeln“ wurden angewendet, und es wurde festgestellt, dass die inversen Mischungsregeln besser die ER in Abhängigkeit des Faservolumenanteils beschreiben können. Im Anwendungsbereich von Faserverbundwerkstoffen ist nicht nur die Kenntnis der ER, sondern auch die Kenntnis der Resteigenschaften erforderlich. Ein halbempirisches Modell für die Vorhersage des Schlagenergieschwellwertes (Uo) für den Beginn der Festigkeitsabnahme und der Restzugfestigkeit nach einer Schlagbelastung wurde bei der Untersuchung des Erosionsverschleißes angewendet. Experimentelle Ergebnisse und theoretische Vorhersagen stimmten nicht nur für duromere CF/EP-Verbundwerkstoffe, sondern auch für Verbundwerkstoffe mit einer thermoplastischen Matrix (GF/PP) sehr gut überein.

Thermoplastic polymer-polymer composites consist of a polymeric matrix and a polymeric reinforcement. The combination of these materials offers outstanding mechanical properties at lower weight than standard fiber reinforced materials. Furthermore, when both polymeric components originate from the same family or, ideally, from the same polymer, their sustainability degree is higher than standard fiber reinforced composites. A challenge of polymer-polymer composites is the subsequent processing of their semi-finished materials by heating techniques. Since the fibers are made of meltable thermoplastic, the reinforcing fiber structure might be lost during the heating process. Hence, the mechanical properties of an overheated polymer-polymer composite would decline, and finally, they would be even lower than the neat matrix. A decrease of process temperature to manage the heating challenge is not reasonable since the cycle time would be increased at the same time. Therefore, this work pursues the adaption of a fast and selective heating method on the use with polymer-polymer composites. Inductively activatable particles, so-called susceptors, were distributed in the matrix to evoke a local heating in the matrix when being exposed to an alternating magnetic field. In this way, the energy input to the fibers is limited. The experimental series revealed the induction particle heating effect to be mainly related to susceptor material, susceptor fraction, susceptor distribution as well as magnetic field strength, coupling distance, and heating time. A proper heating was achieved with ferromagnetic particles at a filler content of only 5 wt-% in HDPE as well as with its respective polymer fiber reinforced composites. The study included the analysis of susceptor impact on mechanical and thermal matrix properties as well as a degradation evaluation. The susceptors were identified to have only a marginal impact on matrix properties. Furthermore, a semi-empiric simulation of the particle induction heating was applied, which served for the investigation of intrinsic melting processes. The achieved results, the experimental as well as the analytic study, were successfully adapted to a thermoforming process with a polymer-polymer material, which had been preheated by means of particle induction.

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

Unternehmen sind heute mit einem globalen Wettbewerb und großen Herausforderungen konfrontiert, wie z. B. kurzen Produktlebenszyklen oder hohen Anforderungen an die Prozess- und Ergebnissicherheit. Verschiedene daten- und technologiegetriebene sowie prozessorientierte Ansätze der Produktionsgestaltung versuchen, Lösungen für Produktionssysteme zu entwickeln, um diese Herausforderungen zu bewältigen und im globalen Wettbewerb bestehen zu können. Jede einzelne Richtung der Produktionsgestaltung weist dabei Vorteile und Defizite auf. Durch „Smart Production Systems“ werden die Grundideen der einzelnen Ansätze, die bisher als unvereinbar galten, zusammengeführt. Dadurch können einzelne Defizite ausgeglichen werden, ohne auf die bekannten Vorteile zu verzichten. Der Grundgedanke von „Smart Production Systems“ ist es, „wissensinkorporierte Objekte“ in Produktionsprozessen einzusetzen, um die Abläufe jederzeit nachvollziehbar und damit das zugehörige Produktionssystem sicher, effizient und flexibel zu gestalten. Wissensinkorporierte Objekte stellen dabei Produktionsobjekte dar, die neben ihrer eigentlichen Funktion informationstechnische Funktionen besitzen, mittels derer sie Daten speichern und wieder bereitstellen können. Der Einsatz wissensinkorporierter Objekte in „Smart Production Systems“ kann mit Hilfe des Konzepts Gestaltungswürfels „Smart Cube“ strukturiert analysiert, geplant, konzeptioniert, bewertet, implementiert, genutzt und gesichert werden. Das Konzept des Gestaltungswürfels „Smart Cube“ wird durch ein Organisations-, ein Referenz-, ein Umsetzungsmodell und mehrere spezifische Anwendungsmodelle beschrieben: 1) Das Organisationsmodell erläutert als Ansatzpunkt von „Smart Production Systems“ die Stellung des Informationsflusses und Materialfluss sowie den Zusammenhang zwischen Datenmenge und Entscheidungsreichweite innerhalb einer Produktionsorganisation. 2) Das Referenzmodell wird aus den drei räumlichen Achsen Wirkungs-, Objekt- und Prozess- sowie Informationsstruktur aufgebaut. Es erfüllt folgende Aufgaben: - Es beschreibt die grundsätzlichen Ausprägungen von Wirkungs-, Objekt- und Prozess- sowie Informationsstrukturen und deren Kombinationsmöglichkeiten innerhalb von Produktionssystemen. - Es erläutert die Zusammenhänge zwischen Technologie-, Logistik- und Kommunikationskomplexität und ermöglicht damit die Einordnung von spezifischen Produktionssystemen in das Referenzmodell. - Mit den verschiedenen Koordinaten der einzelnen Achsen liefert es eine Systematik zur Bezeichnung der verschiedenen möglichen Kombinationen, die es ermöglicht, Anwendungsmodelle aus dem Referenzmodell abzuleiten. 3) Die Anwendungsmodelle konkretisieren das Referenzmodell hinsichtlich der in einem Produktionssystem enthaltenen Objekte und Prozesse. Aufgrund der verschiedenen möglichen Kombinationen der Ausprägungen der einzelnen Strukturen im Referenzmodell lassen sich 27 verschiedene Anwendungsmodelle bilden. 4) Das Umsetzungsmodell beschreibt das Vorgehen bei der Gestaltung von Produktionssystemen mit Hilfe des Gestaltungswürfels „Smart Cube“ . Am Beispiel eines Neugestaltungsprojektes in einem Unternehmen aus der Automobilzulieferindustrie wird gezeigt, wie mit Hilfe des entwickelten Konzeptes Gestaltungswürfel „Smart Cube“ der Einsatz von wissensinkorporierten Objekten systematisch gestaltet werden kann: - Mit der Gestaltung von Kanbankarten zu wissensinkorporierten Objekten kann der manuelle Buchungsaufwand minimiert und der Anteil nicht-wertschöpfender Tätigkeiten klein gehalten werden. - Mit Hilfe des Einsatzes wissensinkorporierter Objekte in einem Fabriksystem können Zielkonflikte zwischen Sicherheit und Effizienz gelöst werden.

Im industriellen Zeitalter stand zunächst die Funktionstüchtigkeit der Massenprodukte im Vordergrund. Insbesondere mit Einführung und Verbreitung der Rechnerunterstützten Konstruktion ist dieser Aspekt weitgehend beherrschbar geworden. Die Funktionstüchtigkeit wird zudem sowohl durch nationale Gesetze gefordert, als auch durch die in den meisten Fällen vorhandene globale Konkurrenzsituation. Als Folge nimmt die Bedeutung des "Designs" von Konsumgütern aller Art zu, seien es Kaffeemaschinen, Staubsauger oder Automobile. Insbesondere die Entwicklung von Programmen zur rechnerinternen Modellierung von Freiformflächen hat zu diesem Trendwechsel einen Beitrag geliefert. Mit der Aufwertung der Produktform hat auch die Bedeutung der "Entwicklungsschleifen" im Bereich Design zugenommen. Das heißt, nach der rechnerinternen Modellierung und einiger optischer Begutachtungen am Bildschirm wird ein realer Prototyp hergestellt, um die Serienreife des Designs zu beurteilen. Diese wird nur in wenigen Fällen auf Anhieb erreicht, eine Überarbeitung der Flächen ist meistens notwendig. Diese Entwicklungsschleifen sind sowohl zeit- als auch kostenaufwendig. Um die Beurteilung rechnerinterner Freiformflächen zu verbessern, wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Gerät entwickelt und getestet, das dem Designer die Möglichkeit eröffnen soll, an seinem CAS-/CAD-Arbeitsplatz die rechnerinternen Flächen nicht nur optisch, sondern auch haptisch und damit präziser beurteilen zu können. Das entwickelte Gerät, "Haptische Hand" genannt, präsentiert mit Hilfe einer in jeder Richtung neigbaren "Taumelscheibe" die Tangentenebene eines beliebigen Punktes der rechnerinternen Flächen. Wenn nun der Designer eine zusammenhängende Folge von Ebenenwerten auf die Taumelscheibe überträgt, so soll er dadurch die Gestalt der Fläche wahrnehmen und erkennen. Es ist außerdem möglich die Taumelscheibe anzuheben, die damit über insgesamt drei von Servomotoren angesteuerte Freiheitsgrade verfügt. Ziel dieses einfachen Konzeptes ist, das Gerät mit einer Standard-Computermaus in einem Gehäuse zu integrieren, um ein preiswertes, marktfähiges Produkt zu erreichen. Um die Behauptung der Wahrnehmbarkeit zu prüfen, wurden zwei Versuchsreichen durchgeführt. In einer ersten Versuchsreihe wurden fünf Flächen nach dem Flächenschema von Koenderink mit einem CAD-System modelliert und in vielen Variationen von mehreren Dutzend Versuchspersonen im wesentlichen haptisch wahrgenommen. Es ergab sich, dass die modellierten Flächen mit einer durchschnittlichen Erkennungsrate von 80% in einer durchschnittlichen Erkennungszeit von 25 sec erkannt werden konnten. In einer zweiten Versuchsreihe in Anlehnung an die VDA-Empfehlung 4955 wurden Unstetigkeiten, Tangentenunstetigkeiten und Krümmungsunstetigkeiten untersucht. Ergebnis war, dass die Versuchspersonen mehrheitlich dann Unstetigkeiten bei Flächenübergängen haptisch wahrnehmen können, wenn diese mehr als 0,1 mm beträgt. Bei tangentialer Unstetigkeit ist ein Mindestwert von 1,2° die Voraussetzung für eine haptische Wahrnehmung durch die Mehrheit der Testpersonen. Die Untersuchung von Flächen mit variablen Krümmungsverläufen zeigte, dass die Mehrheit der Versuchspersonen die Flächenquerschnitte und damit die Krümmungswerte korrekt erkannte. Die Ergebnisse der ersten Versuchsreihe zeigen im Vergleich zu anderen Untersuchungen mit einem anderen, kommerziell verfügbaren Gerät, dass die Eigenentwicklung ähnliche Leistungsmerkmale bei der haptischen Präsentation rechnerinterner Freiformflächen besitzt, zusätzlich aber den Vorteil einer einfachereren und damit preiswerteren Konstruktion aufweist. Aus der zweiten Versuchsreihe hingegen ergibt sich die Verpflichtung zur weiteren Erforschung der bemerkenswerten Unterschiede zwischen der haptischen Wahrnehmbarkeit bei rechnerinternen und bei realen Flächenübergängen. Die Eigenentwicklung ist zum Patent angemeldet und die Anmeldungsschrift offengelegt, um eine Vermarktung zu sichern. Zum Abschluß der Arbeit wird eine Reihe von Verbesserungs- und Ergänzungspotentialen aufgezeigt, die auch der Behebung der genannten Differenzen der Wahrnehmbarkeit zwischen rechnerinternen und realen Flächen dienen sollen. Die durchgeführten Versuche haben ergeben, dass es möglich ist, rechnerinterne Freiformflächen durch eine Folge rechnerextern dargestellter Tangentenebenen haptisch wahrnehmbar zu machen. Mit dem entwickelten Gerät kann also ein Designer an seinem CAS-/CAD-Arbeitsplatz die modellierten Flächen in Echtzeit haptisch wahrnehmen und präziser beurteilen als es durch reine Ansicht der Flächen auf dem Monitor möglich ist. Als Folge einer solchen Erweiterung der Benutzungsschnittstelle von CAS-/CAD-Systemen wird die Notwendigkeit, reale Prototypen zur Beurteilung der rechnerinternen Modelle herstellen zu müssen, abnehmen. Auf diese Weise kann mit geringem Einsatz, verglichen mit kommerziell verfügbaren Geräten, zur notwendigen Senkung der Entwicklungszeiten und Entwicklungskosten beim Styling/Design von Massenprodukten beigetragen werden.

To exploit the whole potential of Additive Manufacturing (AM), a sound knowledge about the mechanical and especially cyclic properties of AM materials as well as their dependency on the process parameters is indispensable. In the presented work, the influence of chemical composition of the used powder on the fatigue behavior of Selectively Laser Melted (SLM) and Laser Deposition Welded (LDW) specimens made of austenitic stainless steel AISI 316L was investigated. Therefore, in each manufacturing process two variations of chemical composition of the used powder were utilized. For qualitative characterization of the materials cyclic deformation behavior, load increase tests (LITs) were performed and further used for the physically based lifetime calculation method (PhyBaLLIT), enabling an efficient determination of stress (S)–number of cycles to failure (Nf) curves (S–Nf), which show excellent correlation to additionally performed constant amplitude tests (CATs). Moreover, instrumented cyclic indentation tests (PhyBaLCHT) were utilized to characterize the materials’ defect tolerance in a comparably short time. All material variants exhibit a high influence of microstructural defects on the fatigue properties. Consequently, for the SLM process a higher fatigue lifetime at lower stress amplitudes could be observed for the batch with a higher defect tolerance, resulting from a more pronounced deformation induced austenite–α’-martensite transformation. In correspondence to that, the batch of LDW material with an increased defect tolerance exhibit a higher fatigue strength. However, the differences in defect tolerance between the LDW batches is only slightly influenced by phase transformation and seems to be mainly governed by differences in hardening potential of the austenitic microstructure. Furthermore, a significantly higher fatigue strength could be observed for SLM material in relation to LDW specimens, because of a refined microstructure and smaller microstructural defects of SLM specimens.

Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept für ein kapazitives Messsystem entwickelt und als Prototyp realisiert. Um realistische Rahmenbedingungen zu schaffen wurde der Prototyp auf einer Ultrapräzisionsmaschine des Lehrstuhls für Feinwerktechnik montiert und getestet. Für die Auswertung eines kapazitiven Sensors wurde das Trägerfrequenzmessverfahren gewählt. Um die gestellten Anforderungen erfüllen zu können musste das TF-Verfahren zunächst entscheidend modifiziert werden. Die klassischen Verfahren zur Demodulation, wie z.B. wie die synchrone Demodulation oder die Hüllkurvendemodulation sind ungeeignet, da sie zunächst das analoge modulierte Signal ins Basisband verschieben und dann erst für weitere Verarbeitung das Ausgangssignal zur Verfügung stellen. Dieser Zwischenschritt ist besonders anfällig für Signalverzerrungen und Phasenfehlern zwischen Trägerschwingung und moduliertem Signal. Um nun diese Nachteile zu umgehen erfolgt die Demodulation direkt durch die Abtastung des modulierten Signals mittels eines sehr schnellen AD-Wandlers. Das modulierte Signal wird so direkt ins Basisband zurückgefaltet. Da es sich bei dem modulierten Signal um ein bandbegrenztes Signal handelt kann die Abtastrate des AD-Wandlers an die Bandbreite des modulierten Signals angepasst werden, es findet eine Unterabtastung statt. Nachteilig ist hierbei, dass die hochfrequenten Anteile des thermischen Rauschens durch die Unterabtastung in das Basisband zurückgefaltet werden und so den Signal/Rauschabstand verschlechtern. Durch den Einsatz einer rauscharmen Sensorelektronik und der Optimierung der Messbrückenparameter konnte dieser Nachteil streckenweise wieder kompensiert werden. Aufgrund der geringen Kapazitäten von kapazitiven Sensoren spielt der Einfluss von parasitären Effekten eine besonders große Rolle und muss daher vermieden werden. Als Gegenmaßnahmen wurde neben einem kapazitätsarmen Aufbau der Schaltung die Guardtechnik zur Unterdrückung parasitärerer Kapazitäten eingesetzt. Die aktive Abschirmung der empfindlichen signalführenden Leitungen auf Leiterplatte, Sensor und Anschlusskabel bietet einen wirksamen Schutz gegen den negativen Einfluss parasitäre Kapazitäten. Der Einfluss dieser aktiven Schaltung hinsichtlich des Rauschen und des Verstärkungsfehlers auf die Performance des Messsystems wurde bewertet. Anhand von Modellen wurden der Verstärkungsfehler und die Rauschspannung quantifiziert. Neben diesen zentralen Störgrößen wurde weiter der Einfluss der Temperatur untersucht und quantifiziert Das verstärkte Messsignal wird durch einen schnellen AD-Wandler in einen digitalen Datenstrom umgesetzt. Obwohl die Datenrate des Messsystems durch Unterabtastung deutlich gesenkt werden konnte, fällt dennoch eine recht große weiterzuverarbeitende Datenmenge von einigen Megabyte pro Sekunde an, die auf einen PC gespeichert wird. Damit eine fehlerfreie Datenübertragung an den PC erfolgen kann ist eine Zwischenspeicherung der gewonnenen Daten in einem Puffer notwendig. Die Zwischenspeicherung erfolgt mit einem insgesamt 12k-Byte großen und 16 Bit breiten Fifo-Speicher, der zusammen mit der AD-Wandlerelektronik auf einer Platine untergebracht werden konnte. Diese Elektronik ist neben der Sensorelektronik und der Signalerzeugung für die Trägerfrequenz ein zentraler Bestandteil des Prototyps. Der Prototyp wird durch einen handels-üblichen PC angesteuert. Der Aufbau des gesamten Messsystems und die abschließenden Untersuchungen erfolgten auf einer Ultrapräzisionsdrehmaschine. Diese Maschine bot aufgrund ihrer bekannten mechanischen Eigenschaften eine präzise Grundlage für die Untersuchungen am Messsystem. Hierbei zeigte sich, dass neben den deterministischen Störgrößen eine Vielzahl von weiteren unvorhersehbaren Störungen negativen Einfluss auf die Gesamtperformance des Messsystems nehmen kann. Diese Störgrößen wie z.B. Netzstörungen konnten durch verschiedene Abschirmmaßnahmen deutlich verbessert werden. So enthielten die ersten Messungen deutliche Zeichen dieser Störanteile die nur unzureichend durch eine softwareseitige digitale Filterung unterdrückt werden konnten. Mit weiteren Messungen konnte dann die deutliche Abnahme des Störpegels verifiziert werden.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der präzisen Beschreibung von geschweißten einschnittigen Überlappverbindungen aus Metall / Faser-Kunststoff-Verbunden unter mechanischer Belastung. Durch Synergieeffekte von optischen und thermischen Messverfahren kann das Deformations- und Dehnungsverhalten verschiedenste Probeformen charakterisiert werden. Zunächst wird ein kurzer Überblick über die genutzten optischen und thermischen Messverfahren gegeben. Vor- und Nachteile der Verfahren werden hierbei detailliert erläutert. Nachfolgend geraten Ultraschallgeschweißte einschnittige Überlappverbindungen in den Fokus der Betrachtungen. Dabei kommen statische, dynamische und schlagartige Beanspruchungen zum Einsatz. Das Deformations- und Dehnungsverhalten wird jeweils mit einem geeigneten Messverfahren beschrieben. Vor- und Nachteile der einzelnen Messverfahren werden, für eine spätere Nutzung von Synergieeffekten, durch Messungen an demselben Probekörper deutlich herausgearbeitet. Im letzten Kapitel der Arbeit wird eine Finite Element Simulation der einschnittigen Überlappverbindungen erstellt. Es wird gezeigt, dass unter zu Hilfenahme der ortsaufgelösten Deformations- und Dehnungsmessungen die Genauigkeit der FE - Simulation deutlich verbessert werden kann. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind zusammenfassend dargestellt: -Kopplung von Grauwertkorrelation und Scanning Acoustic Microscopy zur Dehnungsdarstellung in optisch nicht zugänglichen Bereichen -Verbesserung der FE-Simulation durch genaueste Dehnungsmessungen -Kopplung verschiedener optischer Systeme zur Dehnungsmessung über mehrere Größenordnungen -Vergleich von Grauwertkorrelation und Elektronischer Speckle Pattern Interferenz -Erklärung des thermoelastischen Spannungssignals mittels FE-Simulation

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.

Product development with end-user integration is not an end in itself but a logical necessity due to divergent types of knowledge of the user and the developer of a product. While the user is an expert in regard to the product’s usage the developer is an expert in the product’s construction and functioning. For the development of high-end products both types of expertises were a prerequisite at all times. The efficient and throughout integration of the user’s perspective into existing product development approaches is the core of user-centred product development. Activities that are the basic ingredient of just any user-centred development approach can be roughly categorized into analysis, design and evaluation activities. Research and practice prove the early integration of real end-users within those activities to add significant and sustainable value to product innovation. The instrumental, methodological and procedural impact of globalization tendencies, on modern user-centred product development in particular, is the primary research focus of the field of cross-cultural user-centred product development. This research aims at the further advancement of the methodological foundations of cross-cultural user centred product development approaches based on a stabile and profound theoretical basis. Primary research objects are established user-analysis methodologies, which are mainly based on Western concepts and theories, and their applicability in disparate cultural contexts of the Far East (China and Korea in particular). For facilitating the adaptation of abstract method characteristics to the situational context of method application as foundation of cross-cultural methodological advancement, a model of method localization was developed. In alignment with internationalization and localization activities within product development processes, a framework for localizing user-centred methodologies was developed. Equivalent to internationalization activities of real product development, the abstraction of method traits from specific methodologies is a necessity in a first step. Methodological adaptation with the primary objective of optimizing situational application of a methodology is to be done in a second step – the step of method-localization. This model of method localization and its underlying theories and principles were tested within an extensive empirical study in Germany, China and Korea. Within this study the applicability of six distinct user-centred product development methodologies, each with its very own profile of abstract method traits, was tested with 248 participants in total. Results clearly back the basic hypothesis of method-localization, i.e. that the application of a user-centred methodology rises and falls with the alignment of its characteristic traits with the cross-cultural application context. Beyond, applicability-influencing factors identified within this study could be proven to be valid indicators of adaptation-necessities and –potentials of user-centred product development methodologies.

Fabric reinforced thermoplastic composites, suitable for the production of thin-walled, high strength structural parts, are available on the market today with various fibre/matrix combinations. However, further market penetration and series production are inhibited as long as forming technologies are not well understood. In this thesis, the potential for series production of different forming technologies is evaluated. Stamp forming is an efficient way to produce parts in very short cycle times. A limiting factor to part complexibilty is undesired wrinkle formation as a consequence of insufficient fabric shear. Fabric shear and other important deformations of impregnated fabrics were examined by means of new test devices. Evidence was found that membrane tension is the crucial factor to avoid wrinkle formation. New tool concepts and processing Windows were developed to produce fabric reinforced thermoplastic parts free of wrinkles and distortions.

In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und theoretische Untersuchungen für die Löslichkeiten von Methan in den organischen Lösungsmitteln Petroleumbenzin, 1-Oktanol, n-Hexan und n-Dodekan sowie Untersuchungen des LW-H-V-Gleichgewichts des Systems (CH4 + H2O) vorgestellt. Im Vergleich zu den Vorhersageergebnissen von Sloan sowie Parrish und Praus-nitz wurde mit dem in der vorliegenden Arbeit weiterentwickelten, thermodynamischen Modell für das Hydratgleichgewicht des Systems (CH4 + H2O) durch Berücksichtigung des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichts gerade im Bereich erhöhter Drücke eine wesentlich bessere Übereinstimmung der berechneten Hydratgleichgewichtsdrücke mit den Messdaten der vorliegenden Arbeit sowie mit Literaturdaten erreicht. Die Untersuchungen zur physikalischen Löslichkeit von Methan in den organischen Lö-sungsmitteln und Wasser wurden in einem Temperaturbereich von 273,2 K bis 293 K bei Ge-samtdrücken bis maximal 10 MPa durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit Rechenwerten verglichen, die mit dem in der vorliegenden Arbeit entwickelten Modell erhalten wurden. Die maximale Konzentration von Methan in der organischen Lösemittelphase betrug im System (CH4 + n-Hexan) bei max. 8,7 Mol CH4 pro Kilogramm Hexan. Dieses entspricht einer Beladung des Lösungsmittels von 140 Gramm Methan pro Kilogramm Hexan. Die Untersuchungen zur Löslichkeit von Kohlendioxid (CO2) und Schwefelwasser-stoff (H2S) in wässrigen Aminlösungen (Amine A, B, C, D) waren Teil einer Industriekooperation mit der BASF AG, Ludwigshafen. Ziel des Gesamtprojekts war es, ein bestehendes Aminsystem zu ersetzen. Die experimentellen Ergebnisse für die Löslichkeit von Kohlendi-oxid in diesen Aminmischungen liefern fundierte Grundlagen zur Thermodynamik solcher Lösungen in einem industriellen Absorptionsprozess. Die Untersuchungen am System (CO2 + MDEA + PIPH2 + H2O) stellen eine Weiter-entwicklung des von Pérez-Salado Kamps entwickelten thermodynamischen Modells dar. Die experimentellen Untersuchungen der vorliegenden Arbeit und von Speyer erweitern den Konzentrationsbereich dieses Modells und führten zu einer Neuparametrisierung im Hoch- und Niederdruckbereich. Dabei wurden auch Wechselwirkungen zwischen den aus MDEA und Piperazin entstehenden Spezies berücksichtigt. Die Korrelations- und Vorhersa-geergebnisse werden im Vergleich zu den Vorhersagen von Ermatchkov deutlich verbessert. Die Messungen erfolgten in einer Phasengleichgewichtsapparatur, die nach der synthetischen, d.h. mit bekannter Zusammensetzung des Lösungsmittels/-gemisches und bekannter Gasmenge, Methode arbeitet. Bei der experimentellen Vorgehensweise wurde die evakuierte Hochdrucksichtzelle mit dem zu lösenden Gas bei gemessenem Druck und konstanter Temperatur und einem Teil des Lösungsmittels befüllt. Mit einem Hochdruckverdränger wird gerade soviel Lösungsmittel in die Zelle nachgepresst, bis sich gerade eine homogene Phase bildet, d.h. bis keine Gasphase mehr sichtbar ist. Damit ist die gesamte Menge an Gas in der flüssi-gen Phase gelöst, allerdings liegt der Druck deutlich über dem Löslichkeitsdruck. Durch Entnehmen geringer Menge der Lösung (Herausdrehen der Verdrängerspindel) wird der Druck schrittweise gesenkt. Bei Erreichen der Siedelinie beginnt das Gas aus dem Lösungsmittel auszugasen. Der sich einzustellende Gleichgewichtsdruck ist derjenige Druck, der notwendig ist, um die gesamte Menge an Gas in der in die Zelle eingebrachte Lösungsmittelmenge zu lösen. Die Modellierung der gemessenen Gaslöslichkeiten erfolgte für die flüssigen Phasen mit dem von Edwards, Maurer und Newman modifizierten GE-Ansatz von Pitzer zur Be-rücksichtigung der Nichtidealitäten und Berechnung der Aktivitätskoeffizienten. Die Abweichungen von dem idealen Gasverhalten in der Gasphase wurden durch die Berech-nung der Fugazitätskoeffizienten mit der nach dem zweiten Koeffizienten abgebrochenen Virialgleichung ausgedrückt.

The present research is focused on the manufacturing and analysis of composites consisting of a thermosetting polymer reinforced with fillers of nanometric dimensions. The materials were chosen to be an epoxy resin matrix and two different kinds of fillers: electrically conductive carbon nanofibers (CNFs) and ceramic titanium dioxide (TiO2) and aluminium dioxide (Al2O3) nanoparticles. In an initial step of the work, in order to understand the effect that each kind of filler had when added separately to the polymer matrix, CNF–EP and ceramic nanoparticle–EP composites were manufactured and tested. Each type of filler was dispersed in the polymer matrix using two different dispersion technologies. CNFs were dispersed in the resin with the aid of a three roll calender (TRC) whereas a torus bead mill (TML) was used in the ceramic nanoparticle case. Calendering proved to be an efficient method to disperse the untreated CNFs in the polymer matrix. The study of the physical properties of undispersed CNF composites showed that the tensile strength and the maximum sustained strain, were more sensitive to the state of dispersion of the nanofibers than the elastic modulus, fracture toughness, impact energy and electrical conductivity (for filler loadings above the percolation threshold of the system). Rheological investigation of the uncured CNF–epoxy mixture at different stages of dispersion indicated the formation of an interconnected nanofiber network within the matrix after the initial steps of calendering. CNF–EP composites showed better mechanical performance than the unmodified polymer matrix. However, the tensile modulus and strength of the CNF composites accused the presence of remaining nanofiber clusters and did not reach theoretically predicted values. Fracture toughness and resistance against impact did not seem to be so sensitive to the state of nanofiber dispersion and improved consistently with the incorporation of the CNFs. The electrical conductivity of the CNF composites saw an eight orders of magnitude percolative enhancement with increasing nanofiber content. The percolation threshold for the achieved level of CNF dispersion was found to be 0.14 vol. %. It was also determined that, for these composites, the main mechanism of electrical transmission was the electron tunnelling mechanism. Ceramic nanoparticle–EP composites were manufactured using TiO2 and Al2O3 particles as fillers in the epoxy matrix. Mechanical dispersion of the nanoparticles in the liquid polymer by means of a torus bead mill dissolver led to homogeneous distributions of particles in the matrix. Remaining particle agglomerates had a mean value of 80 nm. However, micrometer sized agglomerates could clearly be observed in the microscopical analysis of the composites, especially in the TiO2 case. The inclusion of the nanoparticles in the epoxy resin resulted in a general improvement of the modulus, strength, maximum sustained strain, fracture toughness and impact energy of the polymer matrix. Nanoparticles were able to overcome the stiffness/toughness problem. On the other hand, nanoparticle–EP composites showed lower electrical conductivity than the neat epoxy. In general, there were no significant differences between the incorporation of TiO2 or Al2O3 particles. Based on the previous results, CNFs and nanoparticles were combined as fillers to create a nanocomposite that could benefit from the electrical properties provided by the conductive CNFs and, at the same time, have improved mechanical performance thanks to the presence of the well dispersed ceramic nanoparticles. Nanoparticles and CNFs were dispersed separately to create two batches which were blended together in a dissolver mixer. This method proved effective to create well dispersed CNF–nanoparticle–epoxy composites which showed improved electrical and mechanical properties compared with the neat polymer matrix. The well dispersed ceramic nanofillers were able to introduce additional energy dissipating mechanisms in the CNF–EP composites that resulted in an improvement of their mechanical performance. With high volume loadings of nanoparticles most of the reinforcement came from the presence of the nanoparticles in the polymer matrix. Therefore, the observed trends were, in essence, similar to the ones observed in the ceramic nanoparticle–EP composites. The enhancement in the mechanical performance of the CNF composites with the inclusion of ceramic nanoparticles came at the price of an increase in the percolation threshold and a reduction of the electrical conductivity of the CNF–nanoparticle–EP composites compared with the CNF–EP materials. A modified Weber and Kamal’s fiber contact model (FCM) was used to explain the electrical behaviour of the CNF–nanoparticle–EP composites once percolation was achieved. This model was able to fit rather accurately the experimentally measured conductivity of these composites.

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.

In this thesis viscoelastic material models are established to investigate the nature of continuous calving processes at Antarctic ice shelves. Physics-based descriptions of calving require appropriate fracture criteria to separate icebergs from the remaining ice shelf. Hence, criteria of the stress, the strain, and the self-similarity criterion are considered within finite-element computations. Crucial parameters in the models to determine the position of calving are the accurate knowledge of the geometry, especially the freeboard height, while the material parameters mainly influence the time span between two successive calving events. The extension to nonlinear material models is necessary to properly analyze the internal forces also for large deformations that occur for longer times of the viscous ice flow.

The present thesis describes the development and validation of a viscosity adaption method for the numerical simulation of non-Newtonian fluids on the basis of the Lattice Boltzmann Method (LBM), as well as the development and verification of the related software bundle SAM-Lattice. By now, Lattice Boltzmann Methods are established as an alternative approach to classical computational fluid dynamics methods. The LBM has been shown to be an accurate and efficient tool for the numerical simulation of weakly compressible or incompressible fluids. Fields of application reach from turbulent simulations through thermal problems to acoustic calculations among others. The transient nature of the method and the need for a regular grid based, non body conformal discretization makes the LBM ideally suitable for simulations involving complex solids. Such geometries are common, for instance, in the food processing industry, where fluids are mixed by static mixers or agitators. Those fluid flows are often laminar and non-Newtonian. This work is motivated by the immense practical use of the Lattice Boltzmann Method, which is limited due to stability issues. The stability of the method is mainly influenced by the discretization and the viscosity of the fluid. Thus, simulations of non-Newtonian fluids, whose kinematic viscosity depend on the shear rate, are problematic. Several authors have shown that the LBM is capable of simulating those fluids. However, the vast majority of the simulations in the literature are carried out for simple geometries and/or moderate shear rates, where the LBM is still stable. Special care has to be taken for practical non-Newtonian Lattice Boltzmann simulations in order to keep them stable. A straightforward way is to truncate the modeled viscosity range by numerical stability criteria. This is an effective approach, but from the physical point of view the viscosity bounds are chosen arbitrarily. Moreover, these bounds depend on and vary with the grid and time step size and, therefore, with the simulation Mach number, which is freely chosen at the start of the simulation. Consequently, the modeled viscosity range may not fit to the actual range of the physical problem, because the correct simulation Mach number is unknown a priori. A way around is, to perform precursor simulations on a fixed grid to determine a possible time step size and simulation Mach number, respectively. These precursor simulations can be time consuming and expensive, especially for complex cases and a number of operating points. This makes the LBM unattractive for use in practical simulations of non-Newtonian fluids. The essential novelty of the method, developed in the course of this thesis, is that the numerically modeled viscosity range is consistently adapted to the actual physically exhibited viscosity range through change of the simulation time step and the simulation Mach number, respectively, while the simulation is running. The algorithm is robust, independent of the Mach number the simulation was started with, and applicable for stationary flows as well as transient flows. The method for the viscosity adaption will be referred to as the "viscosity adaption method (VAM)" and the combination with LBM leads to the "viscosity adaptive LBM (VALBM)". Besides the introduction of the VALBM, a goal of this thesis is to offer assistance in the spirit of a theory guide to students and assistant researchers concerning the theory of the Lattice Boltzmann Method and its implementation in SAM-Lattice. In Chapter 2, the mathematical foundation of the LBM is given and the route from the BGK approximation of the Boltzmann equation to the Lattice Boltzmann (BGK) equation is delineated in detail. The derivation is restricted to isothermal flows only. Restrictions of the method, such as low Mach number flows are highlighted and the accuracy of the method is discussed. SAM-Lattice is a C++ software bundle developed by the author and his colleague Dipl.-Ing. Andreas Schneider. It is a highly automated package for the simulation of isothermal flows of incompressible or weakly compressible fluids in 3D on the basis of the Lattice Boltzmann Method. By the time of writing of this thesis, SAM-Lattice comprises 5 components. The main components are the highly automated lattice generator SamGenerator and the Lattice Boltzmann solver SamSolver. Postprocessing is done with ParaSam, which is our extension of the open source visualization software ParaView. Additionally, domain decomposition for MPI parallelism is done by SamDecomposer, which makes use of the graph partitioning library MeTiS. Finally, all mentioned components can be controlled through a user friendly GUI (SamLattice) implemented by the author using QT, including features to visually track output data. In Chapter 3, some fundamental aspects on the implementation of the main components, including the corresponding flow charts will be discussed. Actual details on the implementation are given in the comprehensive programmers guides to SamGenerator and SamSolver. In order to ensure the functionality of the implementation of SamSolver, the solver is verified in Chapter 4 for Stokes's First Problem, the suddenly accelerated plate, and for Stokes's Second Problem, the oscillating plate, both for Newtonian fluids. Non-Newtonian fluids are modeled in SamSolver with the power-law model according to Ostwald de Waele. The implementation for non-Newtonian fluids is verified for the Hagen-Poiseuille channel flow in conjunction with a convergence analysis of the method. At the same time, the local grid refinement as it is implemented in SamSolver, is verified. Finally, the verification of higher order boundary conditions is done for the 3D Hagen-Poiseuille pipe flow for both Newtonian and non-Newtonian fluids. In Chapter 5, the theory of the viscosity adaption method is introduced. For the adaption process, a target collision frequency or target simulation Mach number must be chosen and the distributions must be rescaled according to the modified time step size. A convenient choice is one of the stability bounds. The time step size for the adaption step is deduced from the target collision frequency \(\Omega_t\) and the currently minimal or maximal shear rate in the system, while obeying auxiliary conditions for the simulation Mach number. The adaption is done in the collision step of the Lattice Boltzmann algorithm. We use the transformation matrices of the MRT model to map from distribution space to moment space and vice versa. The actual scaling of the distributions is conducted on the back mapping, because we use the transformation matrix on the basis of the new adaption time step size. It follows an additional rescaling of the non-equilibrium part of the distributions, because of the form of the definition for the discrete stress tensor in the LBM context. For that reason it is clear, that the VAM is applicable for the SRT model as well as the MRT model, where there is virtually no extra cost in the latter case. Also, in Chapter 5, the multi level treatment will be discussed. Depending on the target collision frequency and the target Mach number, the VAM can be used to optimally use the viscosity range that can be modeled within the stability bounds or it can be used to drastically accelerate the simulation. This is shown in Chapter 6. The viscosity adaptive LBM is verified in the stationary case for the Hagen-Poiseuille channel flow and in the transient case for the Wormersley flow, i.e., the pulsatile 3D Hagen-Poiseuille pipe flow. Although, the VAM is used here for fluids that can be modeled with the power-law approach, the implementation of the VALBM is straightforward for other non-Newtonian models, e.g., the Carreau-Yasuda or Cross model. In the same chapter, the VALBM is validated for the case of a propeller viscosimeter developed at the chair SAM. To this end, the experimental data of the torque on the impeller of three shear thinning non-Newtonian liquids serve for the validation. The VALBM shows excellent agreement with experimental data for all of the investigated fluids and in every operating point. For reasons of comparison, a series of standard LBM simulations is carried out with different simulation Mach numbers, which partly show errors of several hundred percent. Moreover, in Chapter 7, a sensitivity analysis on the parameters used within the VAM is conducted for the simulation of the propeller viscosimeter. Finally, the accuracy of non-Newtonian Lattice Boltzmann simulations with the SRT and the MRT model is analyzed in detail. Previous work for Newtonian fluids indicate that depending on the numerical value of the collision frequency \(\Omega\), additional artificial viscosity is introduced due to the finite difference scheme, which negatively influences the accuracy. For the non-Newtonian case, an error estimate in the form of a functional is derived on the basis of a series expansion of the Lattice Boltzmann equation. This functional can be solved analytically for the case of the Hagen-Poiseuille channel flow of non-Newtonian fluids. The estimation of the error minimum is excellent in regions where the \(\Omega\) error is the dominant source of error as opposed to the compressibility error. Result of this dissertation is a verified and validated software bundle on the basis of the viscosity adaptive Lattice Boltzmann Method. The work restricts itself on the simulation of isothermal, laminar flows with small Mach numbers. As further research goals, the testing of the VALBM with minimal error estimate and the investigation of the VALBM in the case of turbulent flows is suggested.

The automotive industry was a pioneer in using CAD/CAM technology. Now the car manufacturers development process is almost completely done with this technology. Substantial initiative for the standardisation of CAD/CAM technics comes from the automotive industry, as e.g. for neutral CAD data interfaces. The R&D departments of German car manufacturers have founded a working group ii with the aim to develop a common long term CAD/CAM strategy. One important result is the concept of a future CAx iii architecture based on the standard data structure STEP iv . The commitment of the car manufactures to STEP and open system architectures is in contradiction to their attitude towards suppliers and subcontractors: Recently, more and more contractors are contractually bound to use exactly the same CAD system as the orderer. The German car industry tries to find a way out of this contradiction and to improve the co-operation between the companies in short term. Therefore they proposed a "Dual CAD Strategy", i.e. to put improvements in CAD communication into practice which are possible today - even proprietary solutions - and in parallel to invest in strategic concepts to prepare tomorrow's open system landscape.

In dieser Arbeit wird die Problematik der sich rapide wandelnden industriellen CAx-Anwendungen betrachtet. Durch die Einfu"hrung der Feature-Technologie scheinen einige Probleme der Parallelisierung der Prozesse, des Simultaneous und des Concurrent Engineering sowie des Outsourcing überwindbar zu sein. Allerdings entwickelte sich die Feature-Technologie bisher ohne ausreichenden Bezug zur Konstruktionspraxis, was zu erheblichen Defiziten im industriellen Einsatz führte. Untersuchungen in der Automobilindustrie (AIFEMInitiative) zeigen, dass dies vielfach auf mangelnde Kommunikation zwischen Konstrukteuren und CAx-Experten zurückgeführt werden kann. Aufgrund des jetzigen Ansatzes der Feature-Technologie im Zusammenwirken mit dem extremen Zeitdruck in der Produktentwicklung besteht aber die Gefahr, die Produktdefinitionsprozesse nur nach den Kriterien Entwicklungszeit, Kosten und Produktqualität zu optimieren. Features dienen dabei nur als speziell angepasste Werkzeuge. Damit wird eine echte Innovation der Produkte behindert. Es wird aufgezeigt, wie die Feature-Technologie erweitert werden muss, um die Kreativität der Konstrukteure zu fördern und somit neuartige Produkte zu ermöglichen. Näher ausgeführt werden die Aspekte der benutzerdefinierten Features, der Datenstandardisierung, der Verarbeitung unvollsta"ndiger Information und der dynamischen Prozessunterstützung.

Das Crashverhalten energieabsorbierender Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen, die während ihres Gebrauchs wechselnden Temperaturen ausgesetzt sind, wurde bislang nur wenig erforscht. Typische Anwendungstemperaturen in der Automobilindustrie, ausgenommen Bauteile, welche direkt mit dem Motor verbunden sind, bewegen sich zwischen -40 und 100 °C. Da ein polymeres Matrixsystem in diesem Temperaturbereich stark veränderliche Festigkeiten und Steifigkeiten aufweist, variieren auch die mechanischen Eigenschaften eines Faser-Kunststoff- Verbundes (FKV). Dies gilt insbesondere bei Druckbelastungen, da gerade hier die Fasern auf die Stützwirkung der Matrix angewiesen sind. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung des Crashverhaltens gewebeverstärkter Thermoplaste und deren numerischer Simulation unter dem Einfluss der Umgebungstemperatur. Da Faser-Kunststoff-Verbunde beim Crashvorgang ein stark von der Belastungsgeschwindigkeit abhängiges Kraftniveau aufweisen, muss die Crashprüfung im relevanten Geschwindigkeitsbereich oberhalb ca. 4 km/h durchgeführt werden können. Hierzu wird die Crashanlage der Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) um eine Klimatisierungseinrichtung für Crashversuche erweitert. Die Versuche werden erstmals an Strukturen aus glas- und kohlenstoffgewebeverstärkten technischen Thermoplasten (verschiedene Polyamide und Polycarbonat) im Temperaturbereich zwischen –30 und 90 °C durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass die Umgebungstemperatur einen deutlichen Einfluss auf das Crashverhalten hat und bei der Auslegung energieabsorbierender Strukturen berücksichtigt werden muss. Die hierfür verantwortlichen Materialparameter werden identifiziert, um eine Aussage über geeignete Faser-Matrix-Kombinationen für temperaturbelastete Bauteile treffen zu können. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit sind: • Die Temperaturabhängigkeit des Schubmoduls der Matrix und die Crashkennwerte des Verbundes (Mittelkraft und spezifisch absorbierte Energie) stehen in direktem Zusammenhang. Dies gilt insbesondere beim Versagen des FKV im Laminatbiegemode. • Teilkristalline Thermoplaste, auch hochtemperaturbeständige Thermoplaste wie PEEK, eignen sich wegen der starken Abhängigkeit des Schubmoduls von der Temperatur nur begrenzt als Matrixsystem für crashbelastete Strukturen. • Amorphe Thermoplaste, deren Glasübergangstemperatur über der Einsatztemperatur des Absorbers liegt, zeigen nur einen geringen Abfall des Kraftniveaus bei zunehmender Temperatur und sind daher zu bevorzugen. Die derzeit in FE-Programmen implementierten Materialmodelle ermöglichen nicht die gewünschte Prognosefähigkeit bei der Crashsimulation von Strukturen aus gewebeverstärkten Thermoplasten, da die komplexen Versagensmechanismen nicht erfasst werden. Am Beispiel von kohlenstoffgewebeverstärktem Polyamid 12 wird das Versagensverhalten der experimentell untersuchten Crashabsorber analysiert und die erforderlichen crashrelevanten Kennwerte ermittelt. Dabei ist das Nachversagensverhalten unter Druckbelastung von besonderer Bedeutung. Um dieses zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Druckversuch definiert und eine Vorgehensweise zur Bestimmung der erforderlichen Versagensparameter vorgestellt. Die erzielten Simulationsergebnisse korrelieren mit den experimentell ermittelten Werten im untersuchten Temperaturbereich sehr gut.

Nowadays piezoelectric and ferroelectric materials are becoming more and more an interesting part of smart materials in scientific and engineering applications. Precision machining in manufacturing, micropositioning in metrology, common rail systems with piezo fuel injection control in automobile industry, and ferroelectric random access memories (FRAM) in microelectromechanical systems (MEMS) besides commercial piezo actuators and sensors can be very good examples for the application of piezoceramic and ferroelectric materials. In spite of having good characteristics, piezoelectric and ferroelectric materials have significant nonlinearities, which limit the applications in high performance usage. Domain switching (ferroelastic or ferroelectric) is the main reason for the nonlinearity of ferroelectric materials. External excessive electromechanical loads (mechanical stress and electric field) are driving forces for domain switching. In literature, various important experiments related to the non-linear properties of piezoelectric and ferroelectric materials are reported. Simulations of nonlinear properties of piezoelectric and ferroelectric materials based on physical insights of the material have been performed during the last two decades by using micromechanical and phenomenological models. The most significant experiments and models are deeply discussed in the literature survey. In this thesis the nonlinear behaviour of tetragonal perovskite type piezoceramic materials is simulated theoretically using two and three dimensional micromechanical models which are based on physical insights of the material. In the simulations a bulk piezoceramic material which has numerous grains is considered. Each grain has random orientation in properties of polarization and strain. Randomness of orientations is given by Euler angles equally distributed between \(0\) and \(2\pi\). Each element in the micromechanical model has been assumed to have the same properties of the real piezoelectric grain. In the first part of the simulations, quasi-static characteristics of piezoelectric materials are investigated by applying cyclic, rate independent, bipolar, uni-axial and external electrical loading with an amplitude of 2 kV/mm gradually starting from zero value in virgin state. Moreover, the simulations are undertaken for these materials which are subjected to quasi-static, uni-polar, uni-axial mechanical stress, namely compressive stress. The calculations are performed at each element based on linear constitutive equations, nonlinear domain switching and a probability theory for domain switching. In order to fit the simulations to the experimental data, some parameters such as spontaneous polarization, spontaneous strain, piezoelectric and dielectric constants are chosen from literature. The domain switching of each grain is determined by an electromechanical energy criterion. Depending on the actual energy related to a critical energy a certain probability is introduced for domain switching of the polarization direction. Same energy levels are assumed in the electromechanical energy relation for different types of domain switching like 90º and 180º for perovskite type tetragonal or 70.5º and 109.5º for rhombohedral microstructures. It is assumed that intergranular effects between grains can be modelled by such probability functions phenomenologically. The macroscopic response of the material to the applied electromechanical loading is calculated by using Euler transformations and averaging the individual grains. Properties of piezoelectric materials under fixed mechanical stresses are also investigated by applying constant compressive stress in addition to cyclic electrical loading in the simulations. Compressive stress is applied and kept constant before cyclic bipolar electrical loading is implemented. In the following chapters, a three-dimensional micromechanical model is extended for the simulation of the rate dependent properties of certain perovskite type tetragonal piezoelectric materials. The frequency dependent micromechanical model is now not only based on linear constitutive and nonlinear domain switching but also linear kinetics theories. The material is loaded both electrically and mechanically in separate manner with an alternating electrical voltage and mechanical stress values of various moderate frequencies, which are in the order of 0.01 Hz to 1 Hz. Electromechanical energy equation in combination with a probability function is again used to determine the onset of the domain switching inside the grains. The propagation of the domain wall during the domain switching process in grains is modelled by means of linear kinetics relations after a new domain nucleates. Electric displacement versus electric field hysteresis loops, mechanical strain versus mechanical stress and electric displacement versus mechanical stress for different frequencies and amplitudes of the alternating electric fields and compressive stresses are simulated and presented. A simple micromechanical model without using probabilistic approach is compared with the one that takes it into account. Both models give important insights into the rate dependency of piezoelectric materials, which was observed in some experiments reported in the literature. Intergranular effects are other significant factors for nonlinearities of polycrystalline ferroelectric materials. Even piezoelectric actuators and sensors show nonlinearities when they are operated with electrical loading, which is much lower than the coercive electric field level. Intergranular effects are the main cause of such small hysteresis loops. In the corresponding chapter, two basic field effects which are electrical and mechanical are taken into account for the consideration of intergranular effects micromechanically in the simulations of the two dimensional model. Therefore, a new electromechanical energy equation for the threshold of domain switching is introduced to explain nonlinearities stemming from both domain switching and intergranular effects. The material parameters like coercive electric field and critical spontaneous polarization or strain quantities are not implemented in the electromechanical energy relation. But, this relation contains new parameters which consider both mechanical and electrical field characteristics of neighbouring elements. By using this new model, mechanical strain versus electric field butterfly curves under small electrical loading conditions are also simulated. Hence, a rate dependent concept is applied in butterfly curves by means of linear kinetics model. As a result, the simulations have better matching with corresponding experiments in literature. In the next step, the model can be extended in three dimensional case and the parameters of electromechanical energy relation can be improved in order to get better simulations of nonlinear properties of polycrystalline piezoelectric materials.

This work describes the development of a continuum phase field model that can describe static as well as dynamic wetting scenarios on the nano- and microscale. The model reaches this goal by a direct integration of an equation of state as well as a direct integration of the dissipative properties of a specific fluid, which are both obtained from molecular simulations. The presented approach leads to good agreement between the predictions of the phase field model and the physical properties of the regarded fluid. The implementation of the model employs a mixed finite element formulation, a newly developed semi-implicit time integration scheme, as well as the concept of hyper-dual numbers. This ensures a straightforward and robust exchangeability of the constitutive equation for the regarded fluid. The presented simulations show good agreement between the results of the present phase field model and results from molecular dynamics simulations. Furthermore, the results show that the model enables the investigation of wetting scenarios on the microscale. The continuum phase field model of this work bridges the gap between the molecular models on the nanoscale and the phenomenologically motivated continuum models on the macroscale.

Die Informationslogistik als die richtige Information zur richtigen Zeit am richtigen Ort ist heutzutage im Ersatzteilwesen der Automobilindustrie nicht ideal ausgeführt. Redundante Informationen wie auch historisch gewachsene, heute nicht mehr benötigte Informationen stehen fehlenden Informationen gegenüber. Medienbrüche führen zu Fehlern und hohem Aufwand. Auf der anderen Seite stellt das Ersatzteilwesen der Automobilindustrie aus Sicht der Information ein komplexes Umfeld dar. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Dissertation ein Vorgehensmodell entwickelt, mit dem strukturiert ein Grobkonzept für eine optimierte Informationslogistik erstellt werden kann. Die Arbeitsschritte sind an die Konstruktionsmethodik im Maschinenbau angelehnt. Das Vorgehensmodell ist dabei nicht auf spezielle Informationstechnologien wie beispielsweise die aktuell vielfach diskutierte Radiofrequenzidentifikation (RFID) festgelegt. Das Ergebnis des Vorgehensmodells ist ein Grobkonzept, welches den Informationen in ihrem Lebenszyklus optimiert Technologie und Speicherort in Bezug zu den Prozessen zuweist. Gleichzeitig werden wichtige Eigenschaften der Technologien wie z.B. die benötigte Speichergröße definiert. Das so erarbeitete Grobkonzept stellt eine fundierte Grundlage für die anschließende Feinplanung der Informationslogistik dar.

Die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden werden in erheblichem Maß durch die Eigenschaften der Grenzfläche bestimmt. Oftmals ist die Grenzfläche sogar das schwächste Element. Eine zuverlässige Beschreibung der mechanischen Grenzflächenqualität ist von großer Bedeutung für die Wahl optimaler Werkstoffkombinationen und Kontaktbildungsverfahren. Bei mechanisch-technologischen Charakterisierungsmethoden unterliegen die Zielgrößen, wie etwa die Grenzflächenscherfestigkeit, oftmals einer starken Streuung. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb das Konzept der linearelastischen Bruchmechanik zur Grenzflächencharakterisierung herangezogen. Für die dazu notwendige Spannungsanalyse des Prüfkörpers mit einem öffnungsdominierten Grenzflächenriß werden FE-Modelle erstellt. Im Nachgang zu Experiment und Datenreduktion werden die Voraussetzungen für die Anwendbarkeit des linear-elastischen Konzeptes verifiziert. Da die Grenzflächenzähigkeit c G empfindlich von der Zweiachsigkeit ψ des örtlichen Beanspruchungszustandes abhängt, wird eine Belastungseinrichtung konzipiert, mit der ψ im gesamten, der linear-elastischen Bruchmechanik zugänglichen Mixed-Mode-Intervall stufenlos variiert werden kann. Ergänzend zur Bestimmung der (ψ ) c G -Grenzflächenbruchkurve wurde das Rißwachstum lichtmikroskopisch verfolgt und der Einfluß thermischer Eigenspannungen abgeschätzt. An nicht-linearen FE-Modellen wird der Einfluß des Rißuferkontaktes sowie des plastischen Fließens als Kleinbereichstörung auf die Modenabhängigkeit der Grenzflächenbruchenergie untersucht. In beiden Beispielen wird durch Annahme von Verzerrungskriterien im Inneren der jeweiligen Nichtlinearitätszone eine Verbindung zwischen Festigkeitslehre und Bruchmechanik hergestellt. Für den Fall der Kleinbereichplastizität werden außerdem die Ligamentnormalspannungen im Rahmen eines weakest-link-Modells für rißbehaftete Körper bewertet.Es zeigt sich, daß die U-Gestalt der (ψ ) c G -Grenzflächenbruchkurve qualitativ nachvollzogen werden kann, wenn man die Ligamentnormalspannungen als rißtreibende Kraft bewertet.

Diese Arbeit verbessert einige Prozessschritte zur Auslegung hochbeanspruchter Bauteile aus endlosfaserverstärkten Faser-Thermoplast-Verbunden am Beispiel von CF-PA6 Mehrschichtverbunden. Hierzu werden neue Verfahren zur Konditionierung hygroskopischer Werkstoffe und der Bestimmung des relativen Faservolumenanteils entwickelt, wodurch der Aufwand zur Werkstoffcharakterisierung signifikant reduziert werden kann. Durch Versuche an CF-PA6 Schichten wird das mechanische Verhalten des Werkstoffs hinsichtlich dem Spannungs-Verzerrungs- und Bruchverhalten analysiert. Dazu werden speziell die Unterschiede zu Faser-Duroplast-Verbunden durch Berechnungen auf mikromechanischer Ebene herausgearbeitet. Zusätzlich wird der Einfluss des verwendeten Verarbeitungsverfahrens (Tapelegen) auf die mechanischen Werkstoffkennwerte charakterisiert. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird eine neue Werkstoffroutine entwickelt und in ein Berechnungsprogramm zur Analyse mechanischer Strukturen mit Hilfe der Finiten Elemente Methode implementiert. Dadurch kann unter anderem das nichtlineare Verhalten von Faser-Thermoplast- Verbunden unter großen Verzerrungen und die Degradation einzelner Schichten eines Mehrschichtverbunds abgebildet werden. Ein Vergleich der Ergebnisse von Versuchen an Mehrschichtverbunden und der Berechnung zeigt gute Übereinstimmung und die Leistungsfähigkeit der Routine auf Bauteilebene. This work improves the process steps for the design of highly stressed components made of continuous fiber-reinforced thermoplastics using as example CF-PA6 multilayer composites. For this purpose, new methods for conditioning hygroscopic materials and determining the relative fiber volume fraction were developed. This reduces the expense of material characterization significantly. Tests on CF-PA6 layers are used to analyze the mechanical behavior of the material in terms of stress-strain and fracture behavior. In particular, the differences to fiber-reinforced thermosets are highlighted by using calculations on a micromechanical level. Additionally, the influence of the processing method (tape laying) on the mechanical material properties is characterized. Based on the knowledge gained, a new material routine is developed and implemented into a calculation program for the analysis of mechanical structures using the finite element method. Through this work it is now possible to calculate nonlinear behavior of fiber-reinforced thermoplastics under large distortions and the degradation of individual layers of a multi-layer composite. A comparison of experimental data with the calculation of multilayer composites shows good agreement and the performance for the application on a component-level.

An isogeometric Reissner-Mindlin shell derived from the continuum theory is presented. The geometry is described by NURBS surfaces. The kinematic description of the employed shell theory requires the interpolation of the director vector and of a local basis system. Hence, the definition of nodal basis systems at the control points is necessary for the proposed formulation. The control points are in general not located on the shell reference surface and thus, several choices for the nodal values are possible. The proposed new method uses the higher continuity of the geometrical description to calculate nodal basis system and director vectors which lead to geometrical exact interpolated values thereof. Thus, the initial director vector coincides with the normal vector even for the coarsest mesh. In addition to that a more accurate interpolation of the current director and its variation is proposed. Instead of the interpolation of nodal director vectors the new approach interpolates nodal rotations. Account is taken for the discrepancy between interpolated basis systems and the individual nodal basis systems with an additional transformation. The exact evaluation of the initial director vector along with the interpolation of the nodal rotations lead to a shell formulation which yields precise results even for coarse meshes. The convergence behavior is shown to be correct for k-refinement allowing the use of coarse meshes with high orders of NURBS basis functions. This is potentially advantageous for applications with high numerical effort per integration point. The geometrically nonlinear formulation accounts for large rotations. The consistent tangent matrix is derived. Various standard benchmark examples show the superior accuracy of the presented shell formulation. A new benchmark designed to test the convergence behavior for free form surfaces is presented. Despite the higher numerical effort per integration point the improved accuracy yields considerable savings in computation cost for a predefined error bound.

The aim of this thesis was to link Computational Fluid Dynamics (CFD) and Population Balance Modelling (PBM) to gain a combined model for the prediction of counter-current liquid-liquid extraction columns. Parts of the doctoral thesis project were done in close cooperation with the Fraunhofer ITWM. Their in-house CFD code Finite Pointset Method (FPM) was further developed for two-phase simulations and used for the CFD-PBM coupling. The coupling and all simulations were also carried out in the commercial CFD code Fluent in parallel. For the solution methods of the PBM there was a close cooperation with Prof. Attarakih from the Al-Balqa Applied University in Amman, Jordan, who developed a new adaptive method, the Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM). At the beginning of the project, there was a lack of two-phase liquid-liquid CFD simulations and their experimental validation in literature. Therefore, stand-alone CFD simulations without PBM were carried out both in FPM and Fluent to test the predictivity of CFD for stirred liquid-liquid extraction columns. The simulations were validated by Particle Image Velocimetry (PIV) measurements. The two-phase PIV measurements were possible when using an iso-optical system, where the refractive indices of both liquid phases are identical. These investigations were done in segments of two Rotating Disc Contactors with 150mm and 450mm diameter to validate CFD at lab and at industrial scale. CFD results of the aqueous phase velocities, hold-up, droplet raising velocities and turbulent energy dissipation were compared to experimental data. The results show that CFD can predict most phenomena and there was an overall good agreement. In the next steps, different solution methods for the PBM, e.g. the SQMOM and the Quadrature Method of Moments (QMOM) were implemented, varied and tested in Fluent and FPM in a two-fluid model. In addition, different closures for coalescence and breakage were implemented to predict drop size distributions and Sauter mean diameters in the RDC DN150 column. These results show that a prediction of the droplet size distribution is possible, even when no adjustable parameters are used. A combined multi-fluid CFD-PBM model was developed by means of the SQMOM to overcome drawbacks of the two-fluid approach. Benefits of the multi-fluid approach could be shown, but the high computational load was also visible. Therefore, finally, the One Primary One Secondary Particle Method (OPOSPM), which is a very easy and efficient special case of the SQMOM, was introduced in CFD to simulate a full pilot plant column of the RDC DN150. The OPOSPM offers the possibility of a one equation model for the solution of the PBM in CFD. The predicted results for the mean droplet diameter and the dispersed phase hold up agree well with literature data. The results also show that the new CFD-PBM model is very efficient from computational point of view (two times less than the QMOM and five times less than the method of classes). The overall results give rise to the expectation that the coupled CFD-PBM model will lead to a better, faster and more cost-efficient layout of counter-current extraction columns in future.

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.

Die geometrische Produktspezifikation steht - wie viele andere Industriezweige - vor einschneidenden Veränderungen. Durch Digitalisierung und Automatisierung ändern sich viele industrielle Rahmenbedingungen. Ziel dieser Arbeit ist es, die derzeitigen Trends für die industrielle Rauheitsmesstechnik systematisch zusammenzutragen. Basierend auf diesen Veränderungen werden korrespondierende eigene Forschungsarbeiten vorgestellt, welche an die gezogenen Schlussfolgerungen anknüpfen. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz zur Betrachtung technischer Oberflächen gewählt, welcher zunächst die fertigungstechnische Erzeugung deterministischer Rauheitsstrukturen analysiert. Anschließend werden die Beschreibung der resultierenden Topographiemerkmale mittels mathematischer Modelle und deren messtechnische Erfassung durch typische Topographie-Messgeräte untersucht. Weiterhin wird die hierauf aufbauende Charakterisierung der Oberfläche thematisiert, welche durch die Anwendung der Operationen Einpassung, Interpolation, Filterung und Berechnung von Rauheitskenngrößen gekennzeichnet ist. Im Rahmen fertigungstechnischer Betrachtungen werden dabei neue Technologien für die Herstellung flächenhafter Kalibriernormale untersucht, welche stellvertretend für deterministische Rauheitsstrukturen dienen, die immer weitere industrielle Verbreitung finden, um funktionelle Bauteileigenschaften mithilfe der Oberflächenbeschaffenheit abzubilden. Als Fertigungsverfahren werden dabei das direkte Laserschreiben sowie das Mikrofräsen betrachtet. Für die eigentliche Betrachtung dieser Oberflächen werden dabei Ansätze zur Modellierung von Rauheitseigenschaften untersucht, welche auf Methoden aus der Zeitreihenmodellierung basieren. Die messtechnische Erfassung von Rauheitsstrukturen ist anschließend Gegenstand der Analyse des Übertragungsverhaltens. Dabei werden hier ebenfalls Modelle genutzt, um die Übertragung von Oberflächeneigenschaften durch technische Rauheitsmessgeräte zu modellieren. Letzte Betrachtungen werden zur Auswertung von Rauheitskenngrößen angestellt. Dabei werden insbesondere die funktionsorientierten Rauheitskenngrößen untersucht, welche aufgrund der zunehmenden Komplexität technischer rauer Oberflächen verstärkt an Bedeutung gewinnen.

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.

In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst der potentielle Einfluss makroskopischer Oberflächentopographieunterschiede auf die Langzeitbeständigkeit geklebter Aluminiumverbunde untersucht. Fokussiert wurde hierbei auf die durch Vorbehandlungsverfahren induzierte Veränderung technischer Rauhigkeitsgrade sowie die damit einhergehende Vergrößerung der adhäsiv wirksamen Oberfläche. Die Trennung der sich infolge der eingesetzten Vorbehandlungsverfahren überlagernden Einflussfaktoren Oberflächentopographie und Oberflächenchemie konnte durch die Generierung unterschiedlicher Rauheitsgrade bei gleichzeitiger Nivellierung der chemischen Oberflächenzustände sichergestellt werden. Erreicht wurde dies durch einen chemisch einheitlichen, die Haftgrundvorbereitung abschließenden Nachbehandlungsprozess. Ein signifikanter Einfluss der im µm-Bereich detektierten, makroskopischen Topographieunterschiede auf die technischen Eigenschaften adhäsiv gefügter Aluminium-Epoxidharzverbunde kann ausgeschlossen werden. Die Resultate der Untersuchungen zur Wirkungsweise der durch Alterungssimulationen induzierten Schädigungsmechanismen zeigten, dass für eine sinnvolle Beurteilung der Langzeitbeständigkeit unterschiedlich vorbehandelter Aluminium-Epoxidharz-Klebungen die Anwendung einzelner, standardisierter Alterungstests oftmals nicht ausreicht. Die Auswirkungen der simulierten Alterungsprozesse auf die technischen Eigenschaften der geklebten Aluminiumverbunde sind sowohl abhängig von der Art, Dauer und Intensität der dominierenden Schädigungsmechanismen, als auch von den durch die jeweilige Vorbehandlung generierten Zuständen der Substratoberflächen. Die jeweilige Haftgrundvorbereitung hat somit einen erheblichen Einfluss auf die Sensitivität der Klebung gegenüber unterschiedlichen Alterungsprozessen. Die phänomenologischen Betrachtungen in Form der durchgeführten Festigkeitsuntersuchungen deuten an, dass die Kinetik der korrosiven Klebschichtunterwanderung weder von der Art des Epoxidharzsystems, noch von den Spezifikationen der im Rahmen dieser Untersuchungen verwendeten Aluminiumlegierungen maßgeblich abhängt. Die Sensitivität dieser Klebungen, insbesondere gegenüber korrosiven Schädigungsmechanismen, wird von den durch die Haftgrundvorbereitung generierten Oberflächenzuständen dominiert. Die Ergebnisse der parallel durchgeführten oberflächenanalytischen Untersuchungen lieferten zur Erklärung der phänomenologischen Resultate ein weitgehend uneinheitliches Bild. Lediglich anhand der Analysen zur submikroskopischen Morphologie unterschiedlich vorbehandelter Fügeteiloberflächen konnte eine Korrelation mit den phänomenologischen Untersuchungen zur Langzeitbeständigkeit geklebter Aluminium-Epoxidharz-Verbunde in korrosiven Medien hergestellt werden. Die daraus abgeleitete Hypothese hinsichtlich eines signifikanten Einflusses der "Nanomorphologie" von Fügeteiloberflächen auf die Kinetik der korrosiven Klebschichtunterwanderung wurde durch zusätzliche Untersuchungen überprüft und bekräftigt. Hierbei erwies sich der entwickelte beschleunigte Korrosionstest als durchaus nützlich, da die unterschiedlich vorbehandelten Klebungen im Vergleich zu dem wesentlich zeitintensiveren Salzsprühtest innerhalb relativ kurzer Zeit phänomenologisch vergleichbare Schadensbilder aufweisen. Das aus den vorliegenden Untersuchungen abgeleitete Erkärungsmodell baut auf der Theorie der oberflächengesteuerten, grenzschichtnahen Polymerbeeinflussung auf. Dieses Postulat der sich in Abhängigkeit des chemischen Oberflächenzustandes verändernden Polymerisationsgrade in der Interphase zwischen Festkörperoberfläche und Klebstoff wird erweitert um den Einfluss sogenannter Nanomorphologien, also einer in submikroskopischen Dimensionen vorliegenden Feinstrukturierung der Fügeteiloberfläche. Eine durch Festkörperoberflächen induzierte selektive Adsorption von Klebstoffbestandteilen, die Entstehung schwacher Polymerzonen (weak boundary layers) oder andere potentielle Heterogenitäten innerhalb der Adhäsionszone werden somit in Richtung Substratbulk verschoben. Anstatt einer scharf ausgeprägten Phasengrenze zwischen Polymer und Substratoberfläche entsteht somit eine Grenzzone, die aufgrund ihrer fein verteilten Zusammensetzung aus Oxid und Klebstoff zusätzlich Verbundwerkstoffeigenschaften aufweisen kann. Die Frage nach dem aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht höchsten Effizienz von Wirkmechanismen bei der Oberflächenvorbehandlung zur Erzielung langzeitbeständiger Aluminiumklebungen wird hier - im Rahmen der in der vorliegenden Arbeit betrachteten Parameter und unter der Prämisse chemisch reaktiver Festkörperoberflächen - mit der Generierung dünner, nanoskopisch strukturierter Oberflächenmorphologien beantwortet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Löslichkeit von Gasen in chemisch reagierenden wässrigen Lösungen. Dabei werden zwei Beispiele näher betrachtet: Die simultane Löslichkeit von Ammoniak und Schwefeldioxid in wässrigen salzhaltigen Lösungen und die Löslichkeit von Kohlendioxid in wässrigen Lösungen von N-Methyldiethanolamin (MDEA), Piperazin und deren Mischungen. Die Phasengleichgewichte in solchen Systemen werden wesentlich durch die in der flüssigen Phase auftretenden chemischen Reaktionen und die dabei entstehenden ionischen Spezies beeinflusst. Die Lösungen weisen auch aufgrund der weitreichenden Coulombschen Wechselwirkungen ein stark reales Verhalten auf. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit bauen auf früheren Arbeiten am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der Technischen Universität Kaiserslautern auf. In diesen Arbeiten wurden u.a. Modelle zur Beschreibung des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes in den Systemen NH3+SO2+((NH4)2SO4 oder Na2SO4)+Wasser und CO2+MDEA+Piperazin+Wasser entwickelt. Diese Modelle wurden hier weiterentwickelt und verbessert. Beim System Ammoniak+Schwefeldioxid+Wasser wurde mittels ATR-IR-spektroskopischer Untersuchungen festgestellt, dass Pyrosulfit in den wässrigen Lösungen in nicht zu vernachlässigbarem Umfang auftritt. Deshalb muss die chemische Reaktion der Pyrosulfitbildung berücksichtigt werden, wenn die thermodynamischen Eigenschaften solcher Lösungen zuverlässig beschrieben werden sollen. Die chemische Gleichgewichtskonstante für die Pyrosulfitbildungsreaktion wurde aus IR-spektroskopischen und kalorimetrischen Untersuchungen des Systems Na2S2O5+H2O ermittelt. Das Modell zur Beschreibung des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes und der Enthalpieänderung beim Verdünnen des Systems NH3+SO2+((NH4)2SO4 oder Na2SO4)+Wasser wurde zur Berücksichtigung sowohl der Pyrosulfitbildungsreaktion als auch der neuen experimentellen Daten für die Verdünnungsenthalpie von Meyer [70] erweitert. Das Modell ermöglicht Vorhersagen für das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht und Enthalpieänderungen der quaternären Systeme. Während die Gaslöslichkeit im System NH3+SO2+Na2SO4+Wasser zuverlässig beschrieben wird, sind die Vorhersagen für das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht des Systems NH3+SO2+(NH4)2SO4+Wasser nicht so gut. Ein Grund dafür mag darin liegen, dass bei den Untersuchungen an diesem System die Ionenstärke deutlich größer war (I=20 molal) als bei den Untersuchungen am System NH3+SO2+Na2SO4+Wasser (I=10 molal). Die Verdünnungsenthalpie wird für beide quaternäre Systeme gut vorhergesagt. Mithilfe NMR-spektroskopischer Untersuchungen am System CO2+Piperazin+D2O wurden die chemischen Gleichgewichtskonstanten der drei in diesem System auftretenden Carbamatbildungsreaktionen ermittelt. Außerdem wurde der Partialdruck von Kohlendioxid in den wässrigen Lösungen von MDEA oder Piperazin bzw. deren Mischungen bei 313 und 353 K gemessen. Das Modell zur Beschreibung des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes wurde unter Einbeziehung der neuen experimentellen Daten überarbeitet. Das überarbeitete Modell ermöglicht die zuverlässige Beschreibung des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes der Systeme CO2+MDEA+Wasser und CO2+Piperazin+Wasser sowohl im Hochdruck- als auch im Niederdruckbereich. Das Modell ermöglicht auch Vorhersagen für das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht des Systems CO2+MDEA+Piperazin+Wasser. Die Vorhersagen für das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht sind nicht so gut. Der Grund liegt vermutlich in der Vernachlässigung der Wechselwirkungen zwischen Piperazin- und MDEA- Spezies.

Unlubricated sliding systems being economic and environmentally benign are already realized in bearings, where dry metal-plastic sliding pairs successfully replace lubricated metal-metal ones. Nowadays, a considerable part of the tribological research concentrates to realize unlubricated elastomer-metal sliding systems, and to extend the application field of lubrication-free slider elements. In this Thesis, characteristics of the dry sliding and friction are investigated for elastomer-metal sliding pairs. In this study ethylene-propylene-diene rubbers (EPDM) with and without carbon black (CB) filler were used. The filler content of the EPDMs was varied: EPDMs with 0-, 30-, 45- and 60 part per hundred rubber (phr) CB amount were investigated. Quasistatic tension and compression tests and dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) were carried out to analyze the static a viscoelastic behavior of the EPDMs. The tribological properties of the EPDMs were investigated using dry roller (metal) – on – plate (rubber) type tests (ROP). During the ROP tests the normal load was varied. The coefficient of friction (COF) and the temperature were registered online during the tests, the loss volumes were determined after certain test durations. The worn surfaces of the rubbers and of the steel counterparts were analyzed using scanning electron microscope (SEM) to determine the wear mechanisms. Because possible chemical changes may take place during dry sliding due to the elevated contact temperature the chemical composition of the surfaces was also analyzed before and after the tribotests. For the latter investigations X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), sessil drop tests and Raman spectroscopy were used. In addition, the dry sliding tribotests were simulated using finite element (FE) codes for the better understanding of the related wear mechanisms. Finally, as the internal damping effect of the elastomers plays a great role in the sliding wear process, their viscoelasticity has been taken into account. The effect of viscoelasticity was shown on example of rolling friction. To study the rolling COF for the EPDM with 30 phr CB (EPDM 30) an FE model was created which considered the viscoelastic behavior of the rubber during rolling. The results showed that the incorporated CB enhanced the mechanical and tribological properties (both COF and wear rate have been reduced) of the EPDMs. Further on, the CB content of the EPDM influences fundamentally the observed wear mechanisms. The wear characteristics changed also with the applied normal load. In case of the EPDM 30 a rubber tribofilm was found on the steel counterpart when tests were performed at high normal loads. Analysis of the chemical composition of the surfaces before and after the wear tests does not result in notable changes. It was demonstrated, that the FE method is powerful tool to model both, the dry sliding and rolling performances of elastomers.

Die Verwendung von Sheet-Molding-Compounds (SMCs) unter dauerhaft wirkenden statischen Lasten und erhöhten Temperaturen lässt die Frage nach der Materialkriechneigung aufkommen. Während der Kriecheffekt bisher viel Aufmerksamkeit im thermoplastischen Polymerbereich erhielt, zeigt diese Arbeit auf, dass auch duroplastische, wirrfaserverstärkte Matrixsysteme von dem Phänomen in kritischen Größenordnungen betroffen sein können. Es wurden Kriechuntersuchungen an einem glas- und einem carbonfaserverstärkten SMC durchgeführt. Die Untersuchungen wurden bei einer Temperatur von 120 °C durchgeführt, welche von einer möglichen Anwendung in einem E-Motor herrührt. Die Charakterisierung des Kriechens in der Faserebene zeigte die Schwierigkeit einer zuverlässigen Kriechversagensvorhersage bei der Beanspruchung in der Faserebene auf. Kriechdehnungsverläufe zeigen deutliche Unterschiede bei Beanspruchung auf Zug und Druck bei den vorgestellten Wirrfasermaterialien. Gängige FE- (Finite Elemente) Anwendungen sind, wie Untersuchungen in dieser Arbeit feststellen, über Standardverfahren nicht in der Lage, zuverlässige Kriechvorhersagen von Faserkunststoffverbundbauteilen bei einer Mischbeanspruchung vorherzusagen. Es wurden mögliche Implementierungsansätze für FE-Programme vorgeschlagen, um eine beschriebene Kriechvorhersage zu bewerkstelligen. Es wurde jedoch herausgefunden, dass die isotrope Kriechmodellierung, welche in gängigen FE-Programmen bereits implementiert ist, bei uniaxialem Spannungszustand im eigentlich anisotropen SMC-Material verwendbar ist. Ein solcher uniaxialer Spannungszustand mit relevantem Anwendungsszenario ist beispielsweise bei Verschraubungen vorhanden. Die Druckbeanspruchung im Faserkunststoffverbundmaterial durch die Schraubenvorspannkraft führt zu einem Kriechen in Dickenrichtung. Die Charakterisierung des Kriechens in Dickenrichtung ermöglichte die zuverlässige Vorhersage, der über die Zeit schwindenden Vorspannkraft von verschraubten SMC-Testplatten. Vorteilhaft ist hier, für die künftige Auslegung von verschraubten SMC-Verbindungselementen, dass die Kriechuntersuchungen für die verwendete Materialkarte in der Simulation vergleichbar geringen Versuchsaufwand benötigen. Die Messung kann in einer Universalprüfmaschine durchgeführt werden. Die Basis für die Kriechmessdaten bildeten zwei Druckversuche an gestackten Coupons über einen Zeitraum von je 84 h.Die Extrapolation dieser Messdaten ermöglicht eine zuverlässige Schraubenkraftvorhersage für Zeiten von (mindestens) 1000 h. Die Kriechmessdaten wurden mit dem Norton-Bailey-Kriechgesetz approximiert. Das Norton-Bailey-Kriechgesetz ist standardmäßig in allen gängigen FE-Programmen verwendbar, was dem Anwender eine einfache Berechnung ermöglicht.

In dieser Arbeit wurden experimentelle und theoretische Untersuchungen zum (nahekritischen) Hochdruck-Mehrphasengleichgewicht ternärer Systeme bestehend aus Ethen, Wasser und einem bei Umgebungsbedingungen vollständig wasserlöslichen organischen Lösungsmittel durchgeführt. Die Untersuchungen behandeln die Grundlagen eines neuartigen Flüssig-flüssig-Extraktionsverfahrens für Naturstoffe. Dieses Extraktionsverfahren wird durch einen wässrig-organischen Flüssigphasensplit ermöglicht, der durch das Aufpressen eines Gases (in der Nähe seines kritischen Zustandes) auf eine homogene wässrig / organische Phase auftritt. Die Untersuchung des durch den Flüssigphasensplit erzeugten Dreiphasengleichgewichts (LLV) sowie der Verteilung ausgewählter Naturstoffe zwischen den beiden Flüssigphasen des Dreiphasengleichgewichts bilden den Schwerpunkt dieser Arbeit. Die Arbeit baut auf Untersuchungen von Wendland (1994) und Adrian (1997) auf. Wendland hat das Phasenverhalten der ternären Systeme Kohlendioxid + Wasser + (Aceton bzw. 2-Propanol) vermessen und umfangreiche Fortran-Routinen zur Beschreibung des ternären Phasenverhaltens sowie der binären Randsysteme entwickelt. Adrian (1997) hat die drei ternären Systeme Kohlendioxid + Wasser + (1- / 2-Propanol bzw. Propionsäure) sowie die Verteilung von zehn organischen Naturstoffen bzw. Modellkomponenten auf die koexistierenden flüssigen Phasen des Dreiphasengleichgewichts LLV in einem (teilweise beiden) der ternären Systeme Kohlendioxid + Wasser + (Aceton bzw. 1-Propanol) untersucht. In dieser Arbeit wurde größtenteils Ethen als nahekritisches Gas eingesetzt, da es im Gegensatz zu dem zuvor benutzten Kohlendioxid in wässrigen Lösungen undissoziiert vorliegt und somit nicht den pH-Wert der koexistierenden flüssigen Phasen bestimmt. Die experimentelle Untersuchung der Phasengleichgewichte erfolgte mit einer Phasengleichgewichtsapparatur, die nach der analytischen Methode arbeitet. In einer thermostatisierten Hochdrucksichtzelle (30 cm3) wurde ein Phasengleichgewicht zwischen mehreren koexistierenden Phasen eingestellt. An die Messzelle waren zwei externe Probenahmeschleifen angeschlossen, durch welche die (in der Zelle koexistierenden) Phasen gepumpt wurden und aus denen Proben für die Analyse mittels GC und HPLC entnommen wurden. Bei Temperaturen zwischen 293 und 333 K und Drücken bis 20.5 MPa wurde das Hochdruck-Mehrphasengleichgewicht (LLV) der beiden ternären Systeme Ethen + Wasser + (1- bzw. 2-Propanol) untersucht. Darüber hinaus wurden die Druck-Temperatur-Koordinaten kritischer Endpunktlinien in diesen beiden ternären Systemen bestimmt und weitere Untersuchungen zum generellen Phasenverhalten angestellt. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildeten Messungen zur Verteilung von Naturstoffen auf die koexistierenden flüssigen Phasen des Dreiphasengleichgewichts LLV: Es wurde u. a. die einzelne Verteilung dreier Paare chemisch ähnlicher Naturstoffe im ternären System Ethen + Wasser + 2-Propanol bei 293 und 333 K untersucht. Die Paare waren 2,5-Hexanediol / 2,5-Hexandion, N-Acetyl-Glukosamin / N-Acetyl-Mannosamin und D- / L-Phenylalanin. Im theoretischen Teil dieser Arbeit wurde das Phasenverhalten der ternären Systeme mit der kubischen Zustandsgleichung (EoS) von Peng und Robinson (1976) in der Modifikation von Melhem et al. (1989) kombiniert mit verschiedenen Mischungsregeln beschrieben. Hierbei wurde sowohl eine Vorhersage des ternären Phasenverhaltens aus Informationen zu den binären Randsystemen als auch die Korrelation des ternären Phasenverhaltens angestrebt. Auch aufgrund der teilweise sehr geringen Anzahl von binären Messpunkten, konnte das Verhalten des Systems Ethen + Wasser + 2-Propanol nicht aus den Informationen zu den binären Randsystemen vorhergesagt werden. Für das Verhalten des ternären Systems Ethen + Wasser + 1-Propanol stimmte die Vorhersage nur qualitativ mit den Messwerten überein. Die Wiedergabe des Phasenverhaltens der ternären Systeme verbesserte sich signifikant, wenn die binären Wechselwirkungsparameter an experimentelle Daten für das Dreiphasengleichgewicht der ternären Systeme angepasst wurden. Zur Korrelation der Verteilung der Naturstoffe auf die flüssigen Phasen des Dreiphasengleichgewichts (LLV) wurde eine Methode benutzt, die auf der Anpassung von Reinstoffparametern der Naturstoffe für die Peng-Robinson EoS basiert. Hierbei wurden die in der EoS benötigten Reinstoffparameter des Naturstoffes an die Ergebnisse der Verteilungsmessungen angepasst, wobei die Wechselwirkungsparameter des ternären Grundsystems übernommen und die Parameter für Wechselwirkungen des Naturstoffes mit dem ternären Grundsystem vernachlässigt wurden. Durch dieses Vorgehen beschreiben die Reinstoffparameter der Naturstoffe auch die Mischungseigenschaften. Durch eine Normierung der Mess- bzw. Rechenwerte auf die gemessenen bzw. berechneten ternären oberen und unteren Begrenzungspunkte des Dreiphasengleichgewichts wurde eine quantitative Beschreibung der Messwerte erhalten.

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.

Carbon-fibre reinforced plastics have been widely used in the aerospace industry as materials for structural components. During recent years, the focus has been on preform/RTM materials with the aim of improving material properties and reducing costs. Harnessing the full potential of these materials requires a model for assessing the properties and in particular long-term behaviour. Such a model needs to take into account the special conditions of these materials. Basic failure mechanisms have to be analysed in order to develop this kind of model. Consequently, the aim of the work was to investigate the fatigue phenomenon in preform-CFRP materials with thermoset matrices on a microstructural level. The influence of the dynamic loading and the temperature on the emerging fracture phenomena should be identified. Based on the results, a common fracture mechanism should be found. The failure should be described on a mesoscopic level so that it is not restricted on the fatigue failure at a single crack front. To achieve this aim, different preform materials with EP matrix (some of which had been subjected to impact) were loaded with dynamic compression load and high frequent alternate bending. The fatigue behaviour of the matrix systems was investigated by CT tests. By means of microfractography, the only method for detecting fatigue failure as such, the failure mechanisms were analysed at submicroscopic level. The results showed correlations between microstructure and failure. It became apparent that what in the technical literature has been given as an explanation for the appearance of the fatigue striations in the scanning electron microscope had to be corrected. As undercuts are not reflected in the SEM as dark striations, the appearance of the striations must be based on different inclinations of the local fractured surface to the primary electron beam. On the basis of this result the shape and the formation of the fatigue striations could be shown in resin pockets and fibre imprints. Fatigue striations have a shape which sticks out from the fracture plane, preferably in the form of steps. There was no proof for an influence of the high frequent load on the formation of fatigue striations. However, it was possible to find lamellar fracture phenomena which have not been described in the technical literature yet. Due to their shape and their occurrence these can be understood rather as a sign of a dynamic load then as a fracture phenomenon of a high frequent cyclic loading. The examinations of the high frequent loaded samples, where temperatures up to 120°C occurred, as well as in the CT tests with elevated temperatures (60% Tg) yielded no proof that the temperature has an influence on the mechanical failure behaviour. However, the formation of the fatigue striations in high frequent loaded specimens leads to the deduction that adiabatic heating exists at the crack tip which leads to large plastic deformations because the glass transition temperature is exceeded locally. The microfractographic investigations showed that the fatigue striations appear as separate static fractures. On account of their shape and in relation to the matching fracture surfaces plastic processes can be held responsible for the formation of the striations. Altogether this leads to a modification of the models for the origin of fatigue striations prevalent in the technical literature. The suggested model associates the real fracture growth under fatigue loading only with a small part of the loading cycle. Crack propagation only occurs when the maximum stress intensity is reached in the area of the upper loading of the cycle. Microplastic processes by molecular rearrangement in the stress field ahead of the crack tip lead to the blunting of the crack tip, which is reflected as fatigue striations on the fracture surface. Simultaneously, the cyclic loading causes damages in the molecular network of the thermoset. This leads to the possibility of fracture formation below the static stress at break. On the basis of the model and of fatigue crack growth diagrams it is possible to establish thresholds for the stress intensity necessary for crack propagation under cyclic load. The upper threshold of the stress intensity corresponds to KC, because it marks the transition to unstable crack growth. The lower threshold is determined by the value of the cyclic stress intensity factor where crack growth has just ceased to be ascertainable. With the existing model of local crack growth under fatigue loading and the results of the chronological course of failure from the microfractographic investigations of the different materials it was possible to detect a general failure mechanism for the preform-CFRP materials. When an external alternating load is applied, an inhomogeneous stress field forms in the composite material. In areas stressed within the growth stress, fatigue growth occurs in the form of secondary fractures within the matrix. The primary crack front runs along these damaged points in the material until global failure occurs. This leads to a discontinuous, stepwise failure expiration under fatigue loading. This general mechanism permits assessment of the damage behaviour and the progression of failure in various types of fibre reinforcement.

Für die Serienfertigung von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen in hohen Stückzahlen eignen sich Organobleche. Ein Nachteil dieser Halbzeugart ist das limitierte Spektrum herstellbarer Bauteile. Gleichzeitig existieren für Organobleche wie auch für andere Faser-Kunststoff-Verbunde noch keine Recyclingkonzepte, die die Materialeigenschaften erhalten. In dieser Arbeit werden Stapelfaserorganobleche aus recycelten Kohlenstoffstapelfasern und Polyamid 6 als Matrix hergestellt und hinsichtlich ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit sowie ihrer Umformbarkeit untersucht. Die Erhaltung der Materialeigenschaften wurde dabei anhand von Zugversuchen untersucht, wobei der Einfluss der Garnondulation auf die Zugeigenschaften analysiert wurde. Die quasiplastische Verformung von Stapelfaserorganoblechen wurde grundlegend in Zugversuchen im Bereich und über der Schmelztemperatur der Matrix untersucht. Ein angepasster Thermoformprozess wurde entwickelt, der neue Freiheitsgrade zur Bauteilherstellung ermöglicht. Das Verformungsverhalten wurde untersucht und ein Kriterium zur Bewertung der Homogenität der Verformung entwickelt. Organic sheets are suitable for the series production of fiber reinforced polymer composite components in large quantities. One disadvantage of this type of semi-finished products is the limited range of components that can be produced. Also, organic sheets, like other fiber reinforced polymer composites, are faced with the challenge of not yet having any true recycling concepts. In this work, staple fiber organic sheets made of recycled carbon staple fibers and polyamide 6 as matrix are manufactured and examined with regard to their mechanical performance and formability. The preservation of the material properties was investigated by means of tensile tests, whereby the influence of yarn undulation on tensile properties was analyzed. The quasiplastic deformation of staple fiber organic sheets was fundamentally investigated in tensile tests in the range of and above the matrix melting temperature. An adapted thermoforming process was developed which allows new degrees of freedom for component manufacturing. The local deformation behavior was investigated and a criterion for the evaluation of the homogeneity of the deformation was developed.

The topic of this work is the continuum mechanic modelling of point defects in piezoelectric materials. Devices containing piezoelectric material and especially ferroelectrics require a high precision and are exposed to a high number of electrical and mechanical load cycles. As a result, the relevant material properties may decrease with increasing load cycles. This phenomenon is called electric fatigue. The transported ionic and electric charge carriers can interact with each other, as well as with structural elements (grain boundaries, inhomogeneities) or with material interfaces (domain walls). A reduced domain wall mobility also reduces the electromechanical coupling effect, which leads to the electric fatigue effect. The materials considered here are barium titanate and lead zirconate titanate (PZT), in which oxygen vacancies is the most mobile and most frequently appearing defect species. Intentionally introduced foreign atoms (dopants) can adjust the material properties according to their field of application by generating electric dipoles with the vacancies. Agglomerations of point defects can strongly influence the domain wall motion. The domain wall can be slowed down or even be stopped by the locally varying fields in the vicinity of the clusters. Accumulations of point defects can be detected at electrodes, pores or in the bulk of fatigued samples. The present thesis concentrates focuses on the self interaction behaviour of point defects in the bulk. A micro mechanical continuum model is used to show the qualitative and the quantitative interaction behaviour of defects in a static setup and during drift processes. The modelling neglects the ferroelectric switching mechanisms, but is applicable to every piezoelectric material. The underlying differential equations are solved by means of analytical (Green's functions) and numerical (Finite Differences with discrete Fourier Transform) methods, depending on the boundary conditions. The defects are introduced as localised Eigenstrains, as electric charges and as electric dipoles. The required defect parameters are obtained by comparisons with atomistic methods (lattice statics). There are no standardised procedures available for the parameter identification. In this thesis, the mechanical parameter is obtained by a comparison of relaxation volumes of the atomic lattice and the continuum solution. Parameters for isotropic and anisotropic defect descriptions are identified. The strength of the electric defect is obtained by a comparison of the electric internal energies of atomistics and continuum. The appearing singularities are eliminated by taking only the energy difference of a infinite crystal and a periodic cell into account. Both identification processes are carried out for the cubic structure of barium titanate, which decouples the mechanical and the electrical problem. The defect interaction is analysed by means of configurational forces. The mechanical defect parameter generates a directional short-range attraction between defects. An electrical defect parameter produces the long-range Coulomb interaction, which predicts a repulsion of two similar charges. Additionally, an interaction with defect dipoles is taken into account. It is shown that a defect agglomeration is possible for any static defect configuration. Finally, defect drift is simulated using a thermodynamically motivated migration law based on configurational forces. In this context, the migration of point defects due to self interaction, and the influence of external fields is investigated.

Die Polyurethane stellen eine extrem vielgestaltige Kunststoffklasse dar, außerdem zählen sie, von den Produktionskosten her, zu den höherwertigen Kunststoffen. Ersteres erschwert die Entwicklung von Recyclingverfahren, letzteres ist der Grund, weshalb trotzdem seit längerem an Wiederverwertungsmethoden für Polyurethane gearbeitet wird. Eine ganze Reihe von Verfahren existieren bereits und werden mit Erfolg angewendet. Da es aber immer noch PURTypen gibt, die bisher nicht erfolgreich wiederverwertet werden können, besteht weiterhin Bedarf an zusätzlichen Verfahren. Bei der Hydrolyse von Polyurethan-Abfällen wird das Material unter Zugabe von Wasser weitgehend in seine Ausgangsbestandteile zerlegt. Aufgrund einiger schwierig zu bewältigender Verfahrensschritte wird die Hydrolyse bisher nur im Labor- und Technikumsmaßstab angewendet. In dieser Arbeit wurde nun ein Hydrolyseverfahren entwickelt, bei dem die Auftrennung in die Bestandteile nur bis zu einem bestimmten Grad durchgeführt wird, also ein partieller Abbau stattfindet. Der partielle hydrolytische Abbau wurde in einem Doppelschneckenextruder ausgeführt. Die Produkte („hygrothermisch a bgebautes P olyur ethan“; HA-PUR) wurden durch Bestimmung des unlöslichen Rückstands und der Viskosität, mittels Infrarotspektroskopie sowie mit Hilfe der Thermogravimetrie mit angeschlossener Massenspektrometrie charakterisiert. Ausgehend von den Eigenschaften des Zwischenproduktes HA-PUR wurde nach Anwendungsmöglichkeiten gesucht. HA-PUR lässt sich hervorragend mit Duromeren mischen. Diese Tatsache wurde genutzt, um die heute als Zähmodifikator für Duromere gebräuchlichen, aber teuren funktionalisierten Flüssigkautschuke durch ein preisgünstiges Recyclingprodukt zu ersetzen. Tatsächlich wirkte sich ein Zusatz von HA-PUR zu Duromeren günstig auf deren mechanische Eigenschaften, wie Bruchzähigkeit, Bruchenergie und Schlagzähigkeit aus. Weiterhin konnte HA-PUR auch als Härter für Epoxidharze eingesetzt werden. Die kautschukähnlichen Eigenschaften von HA-PUR legten dessen Verwendung als Füllstoff in Kautschukrezepturen nahe. In Anteilen von 10-20 Gew.-% bewirkte HA-PUR bei einigen Kautschuksorten eine beschleunigte Vulkanisation sowie eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Im Falle einer Verschlechterung des Eigenschaftsprofils war es möglich, diese durch geringfügige Variationen der Rezeptur auszugleichen. HA-PUR besitzt gewisse thermoplastische Eigenschaften. Daher wurde auch die Möglichkeit erprobt, es als Zähmodifikator für Polyoxymethylen (POM) einzusetzen. (Die Verwendung von thermoplastischem Polyurethan für diese Zwecke ist heute bereits Stand der Technik.) Bei Zusatz von 5 Gew.-% HA-PUR wurde eine leichte Erhöhung der Schlagzähigkeit festgestellt. This work was aimed at studying the hygrothermal decomposition of polyester urethanes and the usability of the products in thermosets, rubbers and thermoplastics. Polyurethanes (PUR) are one of the most versatile groups of plastic materials. The variety of PUR types reaches from flexible foams and rigid foams over thermoplastic elastomers to adhesives, paints and varnishes. This variety is one of the reasons, why the development of cost-efficient reycling methods is very difficult. On the other hand, the production of PUR is rather expensive - compared to the mass-produced plastic materials like the polyolefins. This fact was the reason for the development of recycling methods for PUR since the 60s. The recycling routes for PUR can be devided in mechanical and chemical methods. Mechanical methods cover e.g. grinding of PUR waste, compression moulding, adhesive pressing, bonding. Chemical methods (also called feedstock recycling) change the chemistry of the material. A third group of recycling methods is the recovery of energy. This can mean simple incineration of the PUR waste or the decomposition by pyrolysis or hydrogenation and the combustion of the products. Chemical methods are e.g. glycolysis and hydrolysis. Glycolysis, which is already used on a commercial scale, means the decomposition of PUR by diols (e.g. glycol) at elevated temperatures through a transesterification reaction. The reaction products are polyols which are similar to the virgin components and can be directly used for the manufacture of new PUR. Amines can be products of side reactions of the glycolysis. Hydrolysis of polyurethane waste means decomposition of the material to its virgin components by treatment with water at elevated temperatures. The products are polyols and amines which are related to the virgin isocyanates. After purification, the polyols can be used for the production of new PUR, as well as the amines - after conversion into isocyanates by phosgenation. Since there are still some problems with the processing (e.g. the separation of the amines), the hydrolysis of PUR waste has not yet been used on a commercial scale. In this work, a process of hydrolysis has been worked out which does not lead to the virgin components. The formation of these virgin components can be avoided by stopping the process before reaching the state of complete decomposition. This partial hygrothermally decomposition was carried out in a twin-screw extruder at temperatures between 150 and 250 °C and addition of 10 wt.-% of water. The material used for this process was polyester-PUR waste from the footwear industry and was ground into particles of 1-3 mm size. The products („hygrothermally decomposed polyurethane“; HDPUR) were characterized by determination of the insoluble residue and melt viscosity. The hygrothermal decomposition was traced by infrared spectroscopy and by thermogravimetry combined with mass spectrometry. These examinations allowed a monitoring of the decomposition degree. Further, some information about the chemical processes during decomposition could be obtained. Based on the specific properties (consistency upon decomposition stage, compound containing primary and secondary amines) of HD-PUR attempts were made to check its use in selected thermoset, rubber and thermoplastic combinations. HD-PUR is quite well miscible with thermosets such as epoxy resins (EP) phenolic resins (PF), and unsaturated polyester resins (UP). This fact was utilized for replacing the expensive functionalized liquid rubbers, which are used for toughening of thermosets, by this costefficient recycling product. The mixing of HD-PUR, especially with EP, leads to a clear improvement of the mechanical properties like fracture toughness, fracture energy, and impact toughness. Due to this promising results, the emphasis for further investigations was placed on experiments with HD-PUR in EP. Two EPs (one trifunctional and one tetrafunctional) of Ciba were used. Examinations of fracture surfaces by scanning electron microscopy gave some information about the phase structure and the toughening mechanism. Dynamic-mechanical thermoanalysis made it possible - apart from the investigation of other mechanical properties - to determine the crosslink density which was then correlated with the fracture mechanical data. The addition of HD-PUR in small amounts (up to 20 wt.-%) led to improved toughness along with only slightly reduced stiffness. It should be noted, that even mixtures with 80 wt.-% HD-PUR gave a curable resin yet with reduced stiffness and temperature resistance. HD-PUR alone could act as hardener for epoxy resins. Further, one phenolic resin, one unsaturated polyester resin,and one vinylester-urethane hybrid resin were examined. The results were, compared to the experiments with EP, less promising. Due to its rubber-like properties, especially when extruded at lower temperatures, HD-PUR seemed to be qualified for using as polymeric filler and extender in rubber recipes. Five sorts of rubbers (natural rubber, nitrile-butadiene-rubber, styrene-butadiene-rubber, epoxidized rubber and fluoro rubber) were mixed with HD-PUR in ratios of 10-20 wt.-%. If possible, standard recipes without further additives were used. The changes of the rheological properties and the vulcanization behaviour were checked. The results showed, that HD-PUR not only could be regarded as neutral filler, but also as a kind of reactive plasticizer which could influence the vulcanization behaviour and the mechanical properties. Indeed, the vulcanization rate and the tear strength of natural rubber was increased. If there was any deterioration of the performance, this could be compensated by small variations of the related recipes. Some experiments were conducted with regard to the comparison of two different vulcanization systems and two different grades of carbon black. The applicability of HD-PUR as modifier for thermoplastics has been checked by adding HD-PUR to poly(oxymethylene) (POM). The modification of POM with thermoplastic PUR is already the state of the art. Due to its thermoplastic properties, HD-PUR should be suitable for this application. Mixing of HD-PUR with POM was possible in amounts from 5 - 40 wt.-%. If 5 wt.-% of HD-PUR was added, the impact toughness of POM was slightly increased. Higher amounts of HD-PUR led to a decrease of impact toughness, tensile strength and Young’s modulus. Future works could provide the complete clarification of the chemical reactions during the hygrothermal decomposition.The related information could serve for improved process control and for extending the decomposition on PURs of polyether type. Further, the applicability of HD-PUR as toughening agent for other (brittle) materials should be checked. The modification of thermoplastics still offers a wide field of applications. Also the use of HD-PUR as reactive filler in rubber recipes could be worked out. Finally, some other applications for HD-PUR, e.g. as pressure sensitve adhesive, as sealing material or for sound and vibration damping could be tested.