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

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

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

For almost thirty years bast fibers such as flax, hemp, kenaf, sisal and jute have been used as reinforcing material in the molding process of both thermoplastic and thermoset matrices. The main application areas of these natural fiber reinforced composites in Europe are limited almost exclusively to the passenger car range. Typical components are door panels, rear parcel shelves, instrument boards and trunk linings. Natural fiber reinforced composites have become prevalent due to their good mechanical properties and their low production costs. The main advantage in applying natural fibers as reinforcement in composite materials is the price. Nowadays this argument becomes more and more important due to the scarcity of synthetic raw materials and consequently, their rising prices. Additionally the low density (approx. 1.5 g/cm³) of natural fibers confers them a very good lightweight potential. Other advantageous features of natural fiber composites include very good processing and acoustic properties. Further benefits such as good life cycle assessment and easier processability compared to glass fiber material should also be taken into account. Disadvantages of natural fibers are unevenness of the fiber quality and varying fiber characteristics due to differences in soil, climate and fiber separation and their low heat resistance (at temperatures exceeding 220 °C, some fiber components start thermal degradation). Another disadvantage of natural fiber reinforced materials is that with some matrices (mostly thermoplastic polymers) a sufficient impregnation of the fibers can only be achieved if the fiber content in the composite is kept low, usually below 50 wt.-%. Under these conditions the best performance of the natural fiber reinforcement can not be realized. Another disadvantage of non-impregnated thermoplastic prepregs is the long processing cycle times, which result from heating up the enclosed air in the prepreg during the process. Alternatively pure natural fiber based non-woven fabrics are impregnated with thermoset systems. Due to the relatively simple handling compared to alternative procedures, the thermoforming of thermoset bonded prepregs is a very promising method for manufacturing natural fiber reinforced components. In this work, a novel general concept for natural fiber reinforced composites with a natural fiber content of approx. 80 wt.-% and a thermoset matrix is developed. A suitable material combination as well as an optimal process execution that help to meet the technical requirements for the natural fiber reinforced composites will be demonstrated. Hemp and kenaf have been chosen as reinforcement fibers. In this work it is shown that hemp and kenaf can be used as successful reinforcement alternatives to the more established flax fibers in composite materials. Short flax fibers, which are commonly used as reinforcement in composites (approx. 67 % for the German automotive applications), are the “waste” of the long fiber production and their availability and price strongly depend on the demand of the long fibers from the textile industry and therefore their cost can strongly fluctuate, as it has been demonstrated in the past few years. In contrast fiber plants such as hemp and kenaf are especifically cultivated for technical applications and their availability and price is much more stable. For their application a profound knowledge of the structural and mechanical properties of the fibers is indispensable. In this work single filament tensile tests on these two types of natural fibers are carried out. The cross-section area of both fibers, necessary for the calculation of the tensile properties, was intensively studied using light microscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis. Because the occurrence of flaws within the fiber is random in nature, tensile strength data of these fibers was statistically analyzed using the Weibull distribution. The strengths were estimated by means of Weibull statistics and then were compared to experimentally measured strengths. For a better handling of the material, both kenaf and hemp fibers were manufactured to needle punched fiber mats. For the impregnation of the natural fiber mats, a Foulard- process with the thermoset matrix as an aqueous solution was employed. The reproducibility of this impregnation process was examined. Different matrix Systems with different chemical compositions were applied on the needle punched fiber mats. The impregnated prepregs were heated and consolidated to components in a onestep- process. A big advantage of this procedure is the short cycle times, since no additional pre-heating process is required, in contrast to thermoplastic bonded prepregs. Additionally, a parameter study of the mechanical properties of the composites was performed. The best matrix system satisfying the work conditions and properties of the composites was chosen to carry out the next working step, namely optimization of the compression molding process for the thermoset bonded natural fiber prepregs. Apart from the material composition of prepregs, general processing parameters such as temperature, time and pressure play a decisive role for the quality of structures made of natural fiber reinforced polymers. The impregnated prepregs were consolidated in a one-step-process to components. A systematic parameter study of the influence of the relevant process parameters on the characteristics of manufactured components was performed. Mould temperatures over 200 °C lead to thermal degradation of the fibers. This temperature should not be exceeded when working with natural fibers. Furthermore, the composites clearly display a dependence on the processing pressure. The flexural properties increase with increasing manufacturing pressures between 15 and 60 bar, reaching a maximum at 60 bar. At higher pressures (80 to 200 bar) a decrease of the flexural properties is demonstrated. SEM images of the fracture surface of the composites show that the decrease of the mechanical properties is related to structural damage of the fiber. A new technology allowing pressing under vacuum conditions was developed and tested. The press is equipped with a vacuum chamber and achieves very short cycle processing times (up to less than one minute during the compression molding). The aspiration connections of the vacuum chamber ensure that the residual moisture and the condensation products of the matrix chemical reaction could be directly evacuated. This type of press ensures also very safe processing and working conditions. The properties of the components fulfill the technical specifications for natural fiber reinforced polymers for use in the car interior. This versatile composite material is not only limited to automotive applications, but may also be used for product manufacturing in other industries. This work shows that the process parameters can be optimized to fit a particular application.

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.