Die Versorgungsaufgaben für Niederspannungsnetze werden sich in den kommenden Jahrzehnten durch die weitere Verbreitung von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpenheizungen und Elektroautomobilen gegenüber denen des Jahres 2018 voraussichtlich stark ändern. In der Praxis verbreitete Planungsgrundsätze für den Neubau von Niederspannungsnetzen sind veraltet, denn sie stammen vielfach in ihren Grundzügen aus Zeiten, in denen die neuen Lasten und Einspeisungen nicht erwartet und dementsprechend nicht berücksichtigt wurden. Der Bedarf für neue Planungsgrundsätze fällt zeitlich mit der Verfügbarkeit regelbarer Ortsnetztransformatoren (rONT) zusammen, die zur Verbesserung der Spannungsverhältnisse im Netz eingesetzt werden können. Die hier entwickelten neuen Planungsgrundsätze erfordern für ländliche und vorstädtische Versorgungsaufgaben (nicht jedoch für städtische Versorgungsaufgaben) den rONT-Einsatz, um die hohen erwarteten Leistungen des Jahres 2040 zu geringen Kosten beherrschen zu können. Eine geeignete rONT-Standardregelkennlinie wird angegeben. In allen Fällen werden abschnittsweise parallelverlegte Kabel mit dem Querschnitt 240 mm² empfohlen.

The work presented here supports the industrial use of natural fibre reinforced composite materials under mass production circumstances. Potentials for optimising the materials’ properties are offered and evaluated with regard to their effect on the process chain material – coupling agent – processing. The possibility to use these materials in mass production applications are improved by optimising each partial stage. Throughout the world there exists a great variety of suitable applications for this group of composites affecting the raw materials choice. The Europe’s market is stamped by the requirements of the automotive industry, the important markets of Japan and the USA are dominated by civil engineering and landscaping applications. A yearly increase of 18 % in Europe, 25 % in Japan and 14 % in the US is expected. The US market offers the largest market volume of more than 480000 t exceeding the European Market for nearly five times. To enhance the fields of application for natural fibre reinforced thermoplastics the common techniques of the film-stacking and the compression moulding process are used to manufacture optimised composites based on polypropylene and bast (hemp, flax) as well as leaf (sisal) and wood (spruce) fibres. Therefore new semi finished parts for the compression moulding process had to be developed. Within the manufacturing of natural fibre reinforced polypropylene using the filmstacking process material and process parameters were identified to transfer the gathered knowledge to the compression moulding process. It has been seen that most problems are caused by the organic origin of the fibres. Especially the addiction of the fibres to decompose when treated with higher temperatures under pressure hampers their use in thermoplastic composites. By investigating wood fibres as reinforcements, which differ from bast fibres in their chemical composition the influence of the process parameters temperature and pressure on the composite properties were evaluated and verified for hemp fibre reinforced polypropylene. The minimum process time was observed and in order to enhance the fibre-matrix-adhesion by using coupling agents the diffusion of the coupling agent molecules was determined theoretically. Therefore a model was evaluated dealing with the maximum mass flow of coupling agent being transferred in the fibre-matrix-interface because of mass transfer mechanisms. In order to optimise the wetting of the fibres with the matrix different possibilities to modify the fibres were investigated. Drying the fibres prior to the manufacturing of the composite is an easy and effective way to improve the fibre-matrix-adhesion. The tensile strength of all composites rose conspicuously. The removal of dust and water soluble substances by washing led to a higher tensile strength only with the sisal fibre reinforced composite. Washing the other fibres led to decreasing fibre wetting. Fibre substances like lignin and pectin were removed using the mercerisation technique. Composites made from these chemically retted fibres show the more disintegrated fibre structure and a worse wet ability of the fibre surface with the polypropylene. Hence the tensile and bending strength was not enhanced. The Charpy impact strength of the composite raised distinctly. The use of coupling agents based on maleic acid crafted polypropylene led to an increasing tensile strength up to 58 % compared to the composite manufactured with pre-dried fibres. The bending strength raised about 109 %. The Charpy decreased about 60 to 80 %. Flax fibre reinforced composites showed the highest tensile strength, sisal fibre reinforced composites offered the highest Charpy. No differences between copolymeric and homopolymeric polypropylene when using PP-MAH as coupling agents were determined. The kind of application of the coupling agent in the compound has an major effect on the amount of coupling agent to be added. The closer the coupling agent is brought to the fibres surface at the beginning of the impregnation step the less amount has to be used. If using an aqueous suspension the least amount had to be added as the coupling agent remains directly on the fibre surface after drying. Mixing the coupling agent with the polypropylene hinders the well dispersed PP-MAH to act in the fibrematrix- interface effectively, so the amount of coupling agent has to be increased. The comparison of coupling agent containing compounds which differ in the amount of coupling agent and the molar mass distribution showed the amount of coupling agent related to the mass of fibres to be the important parameter to dose the PPMAH. The mean molar mass distribution had no effect on the compounds’ properties.Transferring the knowledge gained from the film-stacked composites to the compression moulding process offered the possibility to use jute long fibre reinforced granules (LFT) under optimised processing conditions. The composites gained from the molten and pressed granules showed the highly dependency of the mechanical properties to the fibre direction in the part. If the fibres are able to flow along the cavity and direct themselves into parallelism the tensile and bending strength increases in the main flow direction and decreases perpendicular to this direction. The impact strength decreases with raising orientation of the fibres. The jute fibre surface presents a better adhesion to the polypropylene as the surfaces of the hemp, flax and sisal fibres, which could be improved by adding PP-MAH as coupling agent. A newly developed pelletised semi finished part with sisal fibre reinforcement and the development of a direct impregnation process using solely a horizontal plasticating unit completes the work. Using an established plasticating extruder offers the possibility for the compression moulding industry to process natural fibre reinforced polypropylene with less investment. The compression moulded sisal fibre reinforced polypropylene showed varying fibre directions and disproportionate fibre-matrixadhesion. As a result of the plasticating process in some parts bended fibres are still visible after compression moulding. Hence the used single-screw plasticator is not able to equalize the molten material. Increasing the compaction pressure was not possible as some parts showed beginning fibre degradation. Adding PP-MAH improved the fibre-matrix-adhesion but the positive effect of the materials’ strength was not as clear as found for the film-stacked composites. Regarding the additional expenditures for compounding and the coupling agent costs the use of PP-MAH in compression moulded parts seems not to be useful. Compared to the compression moulded glass fibre reinforced polypropylene from GMT and LFT-materials the natural fibre reinforced composites cannot reach the high level of material properties. Optimising the fibre-matrix-interface increases the properties but they are still lower than the properties of the glass fibre reinforced composites. Therefore the natural fibre reinforced materials are not able to substitute the traditional GMT and LFT, they rather should be used in new applications with lower demands.

Die Nähtechnik in Verbindung mit Harzinfusions- und -injektionstechniken eröffnet ein erhebliches Gewichts- und Kosteneinsparpotential primär belasteter Strukturbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen. Dabei ist es unter bestimmten Voraussetzungen möglich, durch Vernähungen gezielte Steigerungen mechanischer Eigenschaften zu erreichen. Ein genaues Verständnis wirksamer Zusammenhänge bezüglich der Änderung mechanischer Kennwerte verglichen mit dem unvernähten Verbund ist unverzichtbar, um einen Einsatz dieser Technologie im zivilen Flugzeugbau voranzubringen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine breit angelegte experimentelle Parameterstudie zum Einfluss verschiedener Nähparameter auf Scheiben-Elastizitäts- und Festigkeitseigenschaften von kohlenstofffaserverstärkten Epoxidharzverbunden unter Zug- und Druckbelastung durchgeführt. Neben der Stichrichtung, der Garnfeinheit, dem Nahtabstand und der Stichlänge wurde auch die Belastungsrichtung variiert. Bei einigen Parametereinstellungen konnten keine Änderungen des Elastizitätsmoduls oder der Festigkeit in der Laminatebene festgestellt werden, wohingegen in anderen Fällen Reduktionen oder Steigerungen um bis zu einem Drittel des Kennwerts des unvernähten Laminats beobachtet wurden. Dabei ist vor allem der Einfluss der Garnfeinheit dominierend. Die Fehlstellenausbildung infolge eines Stichs in Abhängigkeit der gewählten Parameter und der Orientierung der Einzelschicht wurde anhand von Schliffbildern in der Laminatebene untersucht. Ein erheblicher Einfluss der einzelnen Parameter auf die Fehlstellenausbildung ist festzustellen, wobei wiederum die Garnfeinheit dominiert. Anhand der Ergebnisse der Auswertung der Fehlstellenausbildung in den Einzelschichten wurde ein empirisches Modell generiert, womit charakteristische Fehlstellengröße n wie die Querschnittsfläche, die Breite und die Länge in Abhängigkeit der genannten Parameter berechnet werden können. Darauf aufbauend wurde ein Finite-Elemente-Elementarzellenmodell generiert, mit welchem Scheiben-Elastizitätsgrößen vernähter Laminate abgeschätzt werden können. Neben der Berücksichtigung der genannten Nähparameter ist der zentrale Aspekt hierbei die Beschreibung eines Stichs in Form von Reinharzgebiet und Faserumlenkungsbereich in jeder Einzelschicht. Stitching technology in combination with Liquid Composite Molding techniques offers a possibility to reduce significantly weight and costs of primarily loaded structural parts made of Fiber Reinforced Polymers. Thereby, it is possible to enhance mechanical properties simultaneously. It is essential to understand effective correlations of all important parameters concerning changes in mechanical characteristics due to additional stitching if stitching technologies have to be established in the civil aircraft industry. In this thesis, a broad experimental study on the influence of varying stitching parameters on the membrane tensile and compressive modulus and strength of carbon fiber reinforced epoxy laminates is presented. The direction of stitching, thread diameter, spacing and pitch length as well as the direction of testing had been varied. In some cases, no changes in modulus and strength could be found due to the chosen parameters, whereas in other cases reductions or enhancements of up to 30 % compared to the unstitched laminate were observed. Thereby, the thread diameter shows significant influence on these changes in mechanical properties. In addition, the stitch and void formation in the thickness direction due to the stitching parameters was investigated by evaluating micrographs in each layer of the laminate. Again, the thread diameter showed an outstanding influence on the characteristics of matrix pure area (void) and fiber disorientation. A mathematical model was evaluated in order to predict in-plane characteristics of stitches and voids, from which the cross sectional area, the width and the length of a void due to the chosen stitching parameters can be derived. Finally, a Finite Element based unit cell model was established to calculate elastic constants of stitched FRP laminates. With this model it is possible to consider a stitch as a matrix pure region and additionally an area of in-plane fiber disorientation depending on the stitching parameters as introduced above. The model was validated using the experimental data for tensile and compressive loading. The outstanding flexibility of this FE unit cell approach is shown in a parametric study, where different void formations as well as stitching parameters were varied in a stitched, unidirectional laminate. It was found that three different aspects influence significantly the in-plane elastic constants of stitched laminates. First of all, the stitching parameters as well as the laminate characteristics define the shape of the unit cell including the areas of the stitch and the fiber disorientation. Secondly, stitching changes the fiber volume fraction in all layers, which causes changes in elastic properties as well. Thirdly, the type and the direction of loading has to be considered, because each change in the architecture of the laminate results in different effects on the in-plane elastic constants namely tensile, compressive or shear moduli as well as the Poisson´s ratios.

In der modernen Hubschrauberfertigung werden neben Rotorblättern auch tragende Strukturteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Um dabei einen möglichst hohen Leichtbaugrad zu erreichen, werden immer neue Design- Konzepte entwickelt. Innovative Design-Lösungen sind aber nur dann in der Fertigung umsetzbar, wenn sie effizient, kostengünstig und fehlerfrei gefertigt werden können. Ein wichtiger Baustein für die Produktion sind die Fertigungsvorrichtungen, auf denen die Bauteile laminiert und ausgehärtet werden. Diese Vorrichtungen sind ein maßgeblicher Faktor zum Erreichen der geforderten Bauteilqualität. Das Augenmerk liegt hierbei auf der sogenannten tool-part-interaction, also der Interaktion zwischen Fertigungsvorrichtung und Faserverbundmaterial. Diese hat einen großen Einfluss auf das Aufheiz- und Verpressungsverhalten der Prepreg-Materialien und somit auch direkt auf fertigungsinduzierte Schädigungen wie Faltenbildung und Verzug. Aktuell kann der Vorrichtungsentwickler lediglich auf Erfahrungswerte zurückgreifen, um ein gutes Aufheiz- und Verpressungsverhalten der Vorrichtung zu erreichen. Zur Minimierung von Falten fehlt jedoch häufig sogar das nötige Hintergrundwissen über die grundlegenden Mechanismen der Faltenbildung. Nur ein langwieriger trial-and-error Prozess nach Produktion der Vorrichtung kann helfen, Faltenbildung zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren. Zukünftig muss es ein primäres Ziel für den Vorrichtungsbau sein, Fertigungsmittel gezielt auslegen und bereits im Rahmen der Konzeptentwicklung Aussagen über die zu erwartende Bauteilgüte und das Fertigungsergebnis machen zu können. Einen möglichen Weg stellt die Einführung einer Herstellprozesssimulation dar, da sie bereits in einer frühen Entwicklungsphase das Aufheiz- und Verpressungsverhalten eines Bauteils sowie den Einfluss der Fertigungsvorrichtung auf die Bauteilqualität einschätzen kann. Fertigungsinduzierte Schädigungen, wie der prozessinduzierte Verzug, lassen sich bereits mit Hilfe von kommerziell erhältlichen Software-Tools vorhersagen. Um zukünftig auch die Faltenbildung bei der Prepreg-Autoklavfertigung vorhersagbar zu machen, müssen zwei übergeordnete Fragestellungen bearbeitet werden:Faltenbildung: Wie läuft die Faltenbildung in der Autoklavfertigung ab und welche Mechanismen bzw. Einflussfaktoren müssen besonders beachtet werden?  Simulation: Wie muss eine Herstellprozesssimulation geartet sein, um den Einfluss der Fertigungsvorrichtung auf die Faltenbildung vorhersagen zu können und Vorrichtungen auf diese Weise zukünftig auslegbar zu machen? Experimentelle Untersuchungen an Omega- und C-Profilen helfen, die Faltenbildung, ihren primären Mechanismus und vor allem die verschiedenen Einflussfaktoren zu verstehen und zu bewerten. Im Falle der vorliegenden Arbeit wurde besonders die Kompaktierung des Laminates über einem Außenradius und die daraus entstehende überschüssige Faser- bzw. Rovinglänge als primärer Faltenauslöser betrachtet. Es konnte aus den Experimenten abgeleitet werden, dass besonders der Verpressungsweg, die Bauteilgeometrie, das verwendete Faserhalbzeug (unidirektional oder Gewebe), die tool-part-interaction und das interlaminare Reibverhalten für den untersuchten Mechanismus von Bedeutung sind. Daraus lassen sich die Mindestanforderungen an eine Herstellprozesssimulation zusammenstellen. Eine umfassende Materialcharakterisierung inklusive der interlaminaren Reibung, der Reibinteraktionen zwischen Bauteil und Fertigungsvorrichtung sowie des Verpressungsverhaltens des Faserbettes sind der erste Schritt in der Entwicklung einer industriell einsetzbaren Simulation. Die Simulation selbst setzt sich aus einem thermo-chemischen und einem Kompaktiermodul zusammen. Ersteres ermittelt das Aufheizverhalten der Vorrichtung und des Bauteils im Autoklaven und stellt darüber hinaus Aushärtegrad und Glasübergangstemperatur als Parameter für das zweite Simulationsmodul zur Verfügung. Zur korrekten Bestimmung des Wärmeübergangs im Autoklaven wurde ein semi-empirisches Verfahren entwickelt, das in der Lage ist, Strömungseffekte und Beladungszustände des Autoklaven zu berücksichtigen. Das Kompaktiermodul umfasst das Verpressungsverhalten des Faserbettes inklusive des Harzflusses, der toolpart- interaction und der Relativverschiebung der Laminatlagen zueinander. Besonders das Erfassen der Durchtränkung des Fasermaterials mittels eines phänomenologischen Ansatzes und das Einbringen der Reibinteraktionen in die Simulation muss als Neuerung im Vergleich zu bisherigen Simulationskonzepten gesehen werden. Auf diese Weise ist die Simulation in der Lage, alle wichtigen Einflussfaktoren der Faltenbildung zu erfassen. Der aus der Simulation auslesbare Spannungszustand kann Aufschluss über die Faltenbildung geben. Mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten (Spannungs-)Kriteriums lässt sich eine Aussage über das zu erwartende Faltenrisiko treffen. Außerdem ermöglicht die Simulation eine genaue Identifikation der Haupttreiber der Faltenbildung für das jeweilige Bauteil bzw. Fertigungskonzept. Parameter- und Sensitivitätsstudien können dann den experimentellen Aufwand zur Behebung der Faltenbildung deutlich reduzieren. Die hier vorliegende Arbeit erweitert damit nicht nur das Wissen über die Faltenbildung in der Prepreg-Autoklavfertigung und deren Einflussfaktoren, sondern gibt dem Vorrichtungsentwickler auch eine Simulationsmethodik an die Hand, die ihn in die Lage versetzt, Fertigungsvorrichtungen gezielt auszulegen und zu optimieren. In addition to rotor blades, primary structural parts are also manufactured from carbon fiber reinforced plastics in modern helicopter production. New design concepts are constantly developed in order to reach a maximum degree of lightweight design. However, innovative design solutions are only realizable, if they can be manufactured efficiently, economically, and free from defects. Molds for laminating and curing of composite parts are of particular importance. They are a relevant factor for achieving the required part quality. The attention is directed at the so-called tool-part-interaction, i.e. the interaction between tools and fiber composite materials, which has a great influence on the heating and compaction behavior of the prepreg materials and therefore also directly on manufacturing induced damage such as wrinkling and warping. At present, the tooling designer can only resort to his/her experience to achieve a good heating and compaction behavior of the molds. However, the necessary background knowledge about the fundamental mechanisms of wrinkling is often lacking and only a tedious trial-and-error process after the production of the mold can help eliminate or at least reduce wrinkling. In the future, the primary goal for tooling production must be to specifically design the manufacturing equipment and to be able to already make a statement about the expected part quality and production result during the conceptual stage. A possible solution is the introduction of a manufacturing process simulation, because at an early development stage it can estimate the heating and compaction behavior of a part as well as the influence of the manufacturing equipment on part quality. Commercially available software tools are already able to predict damage during production, as e.g. process induced deformation. In order to make wrinkling predictable also, two primary issues need to be dealt with: Wrinkling: How does wrinkling develop in autoclave manufacturing and which mechanisms or influencing factors need to be particularly considered?  Simulation: What must be integrated into a manufacturing process simulation, if it is to predict the influence of the mold on wrinkling and to ensure future tooling improvement? Experimental examinations of omega and c-profiles help to understand and evaluate wrinkling, its primary mechanism, and particularly the various influencing factors. In the case of the present paper, the compaction of the laminate over a convex radius and the resulting surplus roving length was especially examined as primary cause for wrinkling. From the experiments could be deduced that the compaction, the part geometry, the utilized semi-finished fabrics (unidirectional and woven), the tool-part-interaction and the interlaminar friction are of importance for the examined mechanism. These factors determine the minimum requirements for a manufacturing process simulation. A comprehensive material characterization including interlaminar friction, friction interaction between part and tool as well as the compaction behavior of the fiber bed are the first step toward the development of a simulation on an industrial scale. The simulation consists of a thermochemical and a compaction module. The former determines the heating behavior of the mold and the part in the autoclave and additionally provides the degree of cure and the glass transition temperature as parameters for the second simulation module. A semi-empirical method that is able to consider flow effects and loading conditions of the autoclave was developed for the correct determination of the heat transfer within the autoclave. The compaction module comprises the compaction behavior of the fiber bed including resin flow, tool-partinteraction and relative displacement of the layers. Especially the integration of the saturation phase by means of a phenomenological approach and the inclusion of friction interaction in the simulation must be seen as innovation in comparison to other simulation concepts. The simulation is thus able to capture all the important influencing factors of wrinkling. The state of stress that is retrieved from the simulation can provide information about the formation of wrinkles. Furthermore, the simulation enables an exact identification of the main drivers for the development of wrinkles in the respective part or manufacturing concept. Parameters and sensitivity analyses can then significantly reduce the experimental effort for the elimination of wrinkling. The present study does therefore not only expand the knowledge about wrinkling and its influencing factors in prepreg autoclave manufacturing, but also presents the tooling designer with a simulation methodology that enables him/her to systematically develop and optimize manufacturing equipment.

The focus of this work is to provide and evaluate a novel method for multifield topology-based analysis and visualization. Through this concept, called Pareto sets, one is capable to identify critical regions in a multifield with arbitrary many individual fields. It uses ideas found in graph optimization to find common behavior and areas of divergence between multiple optimization objectives. The connections between the latter areas can be reduced into a graph structure allowing for an abstract visualization of the multifield to support data exploration and understanding. The research question that is answered in this dissertation is about the general capability and expandability of the Pareto set concept in context of visualization and application. Furthermore, the study of its relations, drawbacks and advantages towards other topological-based approaches. This questions is answered in several steps, including consideration and comparison with related work, a thorough introduction of the Pareto set itself as well as a framework for efficient implementation and an attached discussion regarding limitations of the concept and their implications for run time, suitable data, and possible improvements. Furthermore, this work considers possible simplification approaches like integrated single-field simplification methods but also using common structures identified through the Pareto set concept to smooth all individual fields at once. These considerations are especially important for real-world scenarios to visualize highly complex data by removing small local structures without destroying information about larger, global trends. To further emphasize possible improvements and expandability of the Pareto set concept, the thesis studies a variety of different real world applications. For each scenario, this work shows how the definition and visualization of the Pareto set is used and improved for data exploration and analysis based on the scenarios. In summary, this dissertation provides a complete and sound summary of the Pareto set concept as ground work for future application of multifield data analysis. The possible scenarios include those presented in the application section, but are found in a wide range of research and industrial areas relying on uncertainty analysis, time-varying data, and ensembles of data sets in general.