Bei der Herstellung hochbelasteter Strukturbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) wird verbreitet auf textile Halbzeuge wie Gewebe oder vernähte Biaxial-Gelege zurückgegrif-fen. Diese Halbzeuge zeigen im Verbund mit Kunststoffen periodische out-of-plane Roving-welligkeiten. Die Größe der Welligkeiten hängt unter anderem von den Fertigungsparametern der trockenen Halbzeuge ab. Durch das Verständnis der effektiven Kausalitäten zwischen Rovingwelligkeiten und mechanischem Verhalten soll eine bessere rechnerische Abschätzung der Materialkennwerte erzielt werden. In dieser Arbeit wurde unter anderem der Einfluss der Welligkeitsparameter Amplitude und Wellenlänge auf die faserparallelen Kennwerte an unidirektional verstärkten Proben unter-sucht. Dafür wurden gezielt unterschiedliche Amplituden und Wellenlängen mit Hilfe von unidirektionalen Geweben in die Probekörper eingebracht. Der Einfluss der Rovingwelligkei-ten auf die Steifigkeiten war kleiner als auf die Festigkeiten. Bei Letzten war zu beobachten, dass die Druckfestigkeiten mehr von den Ondulationen beeinflusst wurden als die Zugfestig-keiten. Außerdem wurden die Welligkeiten und die mechanischen Kennwerte von textilen FKV-Geweben und -Gelegen bestimmt. Bei der Auswahl der untersuchten Halbzeuge war ein wichtiges Kriterium, dass diese auch in der Praxis Anwendung finden. Im nächsten Schritt wurde ein vereinfachtes Finite-Elemente-Welligkeitsmodell entwickelt, welches es ermöglicht, die faserparallelen Kennwerte ohne zeit- und kostenintensive Materi-alversuche zu bestimmen. Speziell für Gewebe-Materialien mit großen Rovingwelligkeiten ist dieses Modell in der Lage, deutlich bessere Abschätzungen als vorhandene Methoden zu ge-ben. Weiterhin wurde auf dieser Basis ein Regressionsmodell für unidirektional verstärkte Materialien abgeleitet, welches auch dem Konstrukteur ohne Erfahrungen im Umgang mit Finiten-Elemente-Programmen die Anwendung des Welligkeitsmodells ermöglicht. Der Vorteil des entwickelten Welligkeitsmodells wurde in einem dreistufigen Validierungs-programm nachgewiesen. Dieses beinhaltet den Übergang auf multidirektionale Laminate sowie komplexere Bauteilgeometrien. Die verbesserte Prognose mit Hilfe des Welligkeitsmo-dells zeigte sich vor allem bei Materialien mit großen Rovingwelligkeiten und bei Bauteilen die aufgrund eines Faserbruchs durch eine Druckbelastung versagten.

Whole-body vibrations (WBV) have adverse effects on ride comfort and human health. Suspension seats have an important influence on the WBV severity. In this study, WBV were measured on a medium-sized compact wheel loader (CWL) in its typical operations. The effect of short-term exposure to the WBV on the ride comfort was evaluated according to ISO 2631-1:1985 and ISO 2631-1:1997. ISO 2631-1:1997 and ISO 2631-5:2004 were adopted to evaluate the effect of long-term exposure to the WBV on the human health. Reasons for the different evaluation results obtained according to ISO 2631-1:1997 and ISO 2631-5:2004 were explained in this study. The WBV measurements were carried out in cases where the driver wore a lap belt or a four-point seat harness and in the case where the driver did not wear any safety belt. The seat effective amplitude transmissibility (SEAT) and the seat transmissibility in the frequency domain in these three cases were analyzed to investigate the effect of a safety belt on the seat transmissibility. Seat tests were performed on a multi-axis shaking table in laboratory to study the dynamic behavior of a suspension seat under the vibration excitations measured on the CWL. The WBV intensity was reduced by optimizing the vertical and the longitudinal seat suspension systems with the help of computational simulations. For the optimization multi-body models of the seat-dummy system in the laboratory seat tests and the seat-driver system in the field vibration measurements were built and validated.

In this thesis, we develop a granular hydrodynamic model which covers the three principal regimes observed in granular systems, i.e. the dilute flow, the dense flow and the solid-like regime. We start from a kinetic model valid at low density and extend its validity to the granular solid-like behavior. Analytical and numerical results show that this model reproduces a lot of complex phenomena like for instance slow viscoplastic motion, critical states and the pressure dip in sand piles. Finally we formulate a 1D version of the full model and develop a numerical method to solve it. We present two numerical examples, a filling simulation and the flow on an inclined plane where the three regimes are included.

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

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, Methoden zur Beschreibung der Quellung von (nichtionischen und ionischen) Hydrogelen in wässrigen Lösungen zu entwickeln und zu erproben. Die Modelle setzen sich aus einem Beitrag, der die Gibbssche Energie von Flüssigkeiten beschreibt und aus einem Beitrag für die Helmholtz-Energie des Netzwerks zusammen. Die Beschreibung der elastischen Eigenschaften des Netzwerks beruht auf der Phantom-Netzwerk-Theorie. Die Gibbssche Exzessenergie der Flüssigkeiten wurde mit verschiedenen Modellen, abhängig vom Typ der untersuchten Systeme (wässrig/salzhaltige Lösung oder wässrig/organische Lösung), beschrieben. Bei der Modellierung wurden der Einfluss der Zusammensetzung des Netzwerks (z.B. Konzentration von Vernetzer und/bzw. von ionischem Komonomeren) und der Einfluss der Zugabe von weiteren Komponenten in der das Gel umgebenden wässrigen Lösung auf den Quellungsgrad behandelt. Als weitere Komponenten wurden einerseits anorganische Salze (Natriumchlorid,Dinatriumhydrogenphosphat) und andererseits organische Lösungsmittel (Ethanol, Aceton, Essigsäure, 1-Butanol,Methylisobutylketon) behandelt. Zur Modellierung des Quellverhaltens von nichtionischen IPAAm-Gelen in NaCl bzw. Na2HPO4-haltigen Lösungen wurde das VERS-Modell in Kombination mit der Phanom-Netzwerk-Theorie verwendet. Bei der Erweiterung dieser Modelle auf ionische Gele wurde eine gute Beschreibung nur dann erzielt, wenn sowohl das Dissoziationsgleichgewicht des ionischen Komonomeren Natriummethacrylat als auch eine Korrektur im Phantom-Netzwerk-Modell berücksichtigt wurden. Wenn beide Korrekturen allein aus wenigen experimentellen Daten für die Quellung ionischer Gele in wässrigen Lösungen von NaCl bestimmt wurden, gelingen nicht nur eine gute Korrelation für den Quellungsgrad, sondern auch zuverlässige Vorhersagen (sowohl Erweiterung auf andere (IPAAm/NaMA)Gele als auch bei Verwendung von Na2HPO4 anstelle von NaCl). Die Modellierung der Einflüsse der untersuchten Salze (NaCl bzw. Na2HPO4) auf das Quellverhalten sowohl nichtionischer VP-Gele als auch ionischer (VP/NaMA)Gele erfolgt auch in Kombination des VERS-Modells mit der Phanom-Netzwerk-Theorie. Die vorgeschlagene Methode liefert sowohl für nichtionische VP-Gele als auch für ionische (VP/NaMA)Gele in wässrigen salzhaltigen Lösungen eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Rechnung. Die Quellungsgleichgewichte nichtionischer IPAAm-Gele in Mischungen aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel (Ethanol, Aceton, Essigsäure, Butanol, Methylisobutylketon) lassen sich mit Hilfe der Kombination aus dem UNIQUAC-Modell und einem Free-Volume-Beitrag mit der Phantom-Netwerk-Theorie beschreiben. Bei der Erweiterung des Modells auf ionische (IPAAm/NaMA)Gele wurde der Einfluss der Konzentration des organischen Lösungsmittels auf die Dissoziationskonstante von Natriummethacrylat berücksichtigt. Ähnlich zur Modellierung der Quellung im System (IPAAm/NaMA)Gel-Wasser-Salz wurden die Abweichungen von der Phantom-Netzwerk-Theorie mit Hilfe eines empirischen Faktors betrachtet. Mit diesen Modellvorstellungen gelingt sowohl eine gute Korrelation als auch zuverlässige Vorhersage des Quellungsgrades von ionischen Gelen in wässrig/organischen Lösungen. Bei den theoretischen Studien zur Quellung von Gelen auf Basis von Vinylpyrrolidon in wässrig/organischen Lösungsmittelgemischen erwies sich, dass eine Kombination aus dem UNIQUAC-Modell (jedoch ohne kombinatorischen Beitrag) und der Phantom-Netzwerk-Theorie die besten Ergebnisse bei der Beschreibung des Quellverhaltens der nichtionischen VP-Gele liefert. Bei der Erweiterung des Modells auf ionische (VP/NaMA)Gele wurde eine Abhängigkeit des Dissoziationsgrades von Natriummethacrylat von der Ethanol-, bzw. der Acetonkonzentration berücksichtigt.

The noise issue in manufacturing system is widely discussed from legal and health aspects. Regarding the existing laws and guidelines, various investigation methods are implemented in industry. The sound pressure level can be measured and reduced by using established approaches in reality. However, a straightforward and low cost approach to study noise issue using existing digital factory models is not found. This thesis attempts to develop a novel concept for sound pressure level investigation in a virtual environment. With this, the factory planners are able to investigate the noise issue during factory design and layout planning phase. Two computer aided tools are used in this approach: acoustic simulation and virtual reality (VR). The former enables the planner to simulate the sound pressure level by given factory layout and facility sound features. And the latter provides a visualization environment to view and explore the simulation results. The combination of these two powerful tools provides the planners a new possibility to analyze the noise in a factory. To validate the simulations, the acoustic measurements are implemented in a real factory. Sound pressure level and sound intensity are determined respectively. Furthermore, a software tool is implemented using the introduced concept and approach. With this software, the simulation results are represented in a Cave Automatic Virtual Environment (CAVE). This thesis describes the development of the approach, the measurement of sound features, the design of visualization framework, and the implementation of VR software. Based on this know-how, the industry users are able to design their own method and software for noise investigation and analysis.

Elastomers and their various composites, and blends are frequently used as engineering working parts subjected to rolling friction movements. This fact already substantiates the importance of a study addressing the rolling tribological properties of elastomers and their compounds. It is worth noting that until now the research and development works on the friction and wear of rubber materials were mostly focused on abrasion and to lesser extent on sliding type of loading. As the tribological knowledge acquired with various counterparts, excluding rubbers, can hardly be adopted for those with rubbers, there is a substantial need to study the latter. Therefore, the present work was aimed at investigating the rolling friction and wear properties of different kinds of elastomers against steel under unlubricated condition. In the research the rolling friction and wear properties of various rubber materials were studied in home-made rolling ball-on-plate test configurations under dry condition. The materials inspected were ethylene/propylene/diene rubber (EPDM) without and with carbon black (EPDM_CB), hydrogenated acrylonitrile/butadiene rubber (HNBR) without and with carbon black/silica/multiwall carbon nanotube (HNBR_CB/silica/MWCNT), rubber-rubber hybrid (HNBR and fluororubber (HNBR-FKM)) and rubber-thermoplastic blend (HNBR and cyclic butylene terephthalate oligomers (HNBR-CBT)). The dominant wear mechanisms were investigated by scanning electron microscopy (SEM), and analyzed as a function of composition and testing conditions. Differential scanning calorimetry (DSC), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), atomic force microscopy (AFM), and transmission electron microscopy (TEM) along with other auxiliary measurements, were adopted to determine the phase structure and network-related properties of the rubber systems. The changes of the friction and wear as a function of type and amount of the additives were explored. The friction process of selected rubbers was also modelled by making use of the finite element method (FEM). The results show that incorporation of filler enhanced generally the wear resistance, hardness, stiffness (storage modulus), and apparent crosslinking of the related rubbers (EPDM-, HNBR- and HNBR-FKM based ones), but did not affect their glass transition temperature. Filling of rubbers usually reduced the coefficient of friction (COF). However, the tribological parameters strongly depended also on the test set-up and test duration. High wear loss was noticed for systems showing the occurrence of Schallamach-type wavy pattern. The blends HNBR-FKM and HNBR-CBT were two-phase structured. In HNBR-FKM, the FKM was dispersed in form of large microscaled domains in the HNBR matrix. This phase structure did not change by incorporation of MWCNT. It was established that the MWCNT was preferentially embedded in the HNBR matrix. Blending HNBR with FKM reduced the stiffness and degree of apparent crosslinking of the blend, which was traced to the dilution of the cure recipe with FKM. The coefficient of friction increased with increasing FKM opposed to the expectation. On the other hand, the specific wear rate (Ws) changed marginally with increasing content of FKM. In HNBR-CBT hybrids the HNBR was the matrix, irrespective to the rather high CBT content. Both the partly and mostly polymerized CBT ((p)CBT and pCBT, respectively) in the hybrids worked as active filler and thus increased the stiffness and hardness. The COF and Ws decreased with increasing CBT content. The FEM results in respect to COF achieved on systems possessing very different structures and thus properties (EPDM_30CB, HNBR-FKM 100-100 and HNBR-(p)CBT 100-100, respectively) were in accordance with the experimental results. This verifies that FEM can be properly used to consider the complex viscoelastic behaviour of rubber materials under dry rolling condition.

Bei einem Stent handelt es sich um ein medizinisches Implantat, das zur Behandlung von Gefäßverengungen (Stenosen) eingesetzt wird. Ein implantierter Stent verbleibt in der Regel lebenslang im Gefäß und muss alle auftretenden Belastungen dauerhaft ertragen ohne zu brechen. Für die Auslegung eines Stents und zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens können durch die Finite Element Methode (FEM) schon im Vorfeld die auftretenden Spannungen und Dehnungen berechnet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein (Referenz-) Stent anhand unterschiedlicher Simulationen und Experimente analysiert und untersucht. Dabei wird sowohl der Herstellungsprozess des Stents betrachtet, als auch dessen Verhalten in unterschiedlich komplexen Gefäßen. In experimentellen Untersuchungen wird die Radialkraft bestimmt und das Ermüdungsverhalten des Stents bei einer simulierten Kniebeuge von 90° ermittelt. Mit der gewonnenen Erfahrung wird eine Vergleichsrechnung zweier neuer Stent-Designs durchgeführt. Auf Basis der Simulationen wird ein Prototyp hergestellt. Mit Hilfe der Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation wird der Einfluss des Referenz-Stents auf die Blutströmung durch die Berechnung der Strömungsverhältnisse in unterschiedlich komplexen Gefäßen näher betrachtet. Die Interaktion zwischen Stent, dem umgebenden Gefäß und der Blutströmung wird durch die gekoppelte FEM-CFD-Simulation untersucht.

Externe elektrische Gleichspannungsfelder können sowohl den physikalischen, als auch den reaktiven Stoffaustausch bei der Flüssig-Flüssig Extraktion signifikant beeinflussen, wodurch eine Steigerung des Stoffüberganges im elektrischen Feld erzielt werden kann. Die Gründe hierfür sind im elektrischen Feld gesteigerte Grenzflächenturbulenzen und feldinduzierte Konzentrationspolarisationen im Phasengrenzflächenbereich, welche durch Migrationswechselwirkungen verursacht werden. Das elektrische Feld hat bezüglich des reaktiven Stoffübergangs sowohl in Einzel- als auch im Mehrkomponentensystem keinen Einfluss auf das chemische Gleichgewicht. Jedoch wird durch das Feld die Kinetik beschleunigt und das Gleichgewicht schneller erreicht. Auch die maximale Trennselektivität im Mehrkomponentensystem, welche im Gleichgewicht erreicht wird, wird nicht durch das Feld verändert. Diese ist primär von der Konzentration und der Säurestärke abhängig. Lediglich im Falle sehr schwacher Säuren ist das Gleichgewicht über das natürliche hinaus verschiebbar. Diese Stoffaustauscherhöhung ist durch die im elektrischen Feld erhöhte Dissoziation der Übergangskomponente gemäß dem 2. Wien’schen Effekt erklärbar. Zudem ist die feldinduzierte Stoffaustauscherhöhung stark von der Feldwirkrichtung abhängig. Der Feldeinfluss ist dann maximal, wenn das Feld direkt in Stoffübergangs-richtung wirkt. Dies ist bei unbewegten (z. B. planaren) Grenzflächen erreichbar. So konnte in planaren Stoffübergangszellen und am hängenden Tropfen eine starke Stoffaus-tauschbeschleunigung in der Größenordnung von ca. 1000 % erzielt werden. Am bewegten Tropfen konnte zwar eine Stoffaustauscherhöhung durch die im Feld geänderten hydrodynamischen Betriebsgrößen (wie Tropfengröße und Verweilzeit) erzielt werden, jedoch konnte darüber hinaus keine weitere Stoffaustauschbeschleunigung erzielt werden. Dies kann damit erklärt werden, dass bei bewegter sphärischer Grenzflächengeometrie das Feld nicht nur in Stoffübergangsrichtung wirkt und feldinduzierte Polarisations-erscheinungen sich weitgehend kompensieren. Daher gelingt in klassischen Extraktionsapparaten, welche mit Dispergierung und Tropfen-bildung arbeiten, die Verfahrensumsetzung der kontinuierlich betriebenen Extraktion im Hochspannungsfeld nicht effizient. Diese gelingt in einem speziellen Zentrifugalextraktor, dem Taylor-Couette Elektroextraktor, in wessen Ringsspalt zwischen zwei als Elektroden fungierenden, konzentrischen Zylindern auf Grund der Rotationsbewegung sich eine planaranaloge, zylindrische Phasengrenzfläche ausbildet und das Feld somit direkt in Stoffübergangsrichtung wirken kann. Auch wird der stationäre Betriebszustand binnen weniger Minuten erreicht. Zudem entstehen im Phasengrenzbereich Taylorverwirblungen, welche ebenfalls den Stoffaustausch erhöhen. Zur theoretischen Beschreibung konnten Stoffübergangsmodelle entwickelt werden, welche die feldinduzierten Polarisationseffekte berücksichtigen. So gelingt die Berechnung des reaktiven Stoffaustauschs über ein elektrostatisch erweitertes Kinetikmodell, welches neben der chemischen Reaktion, der Grenzflächenadsorption des Ionenaustauschers und dem Reaktionsgleichgewicht, auch die Migration über die Nernst Planck Gleichung, sowie auch die Elektrodissoziation über einen Ansatz nach Onsager berücksichtigt. Die Berücksichtigung der im elektrischen gesteigerten Grenzflächenturbulenz gelingt über einen elektrostatisch erweiterten Ansatz nach Maroudas und Sawistowski. Auch wurde ein Modell zur Berechnung des Stoffübergangs im Taylor-Couette Extraktors vorgestellt. Die Berechnung der anliegenden elektrischen Felder gelingt über die Finite Elemente Methode basierend auf den Maxwell’schen Gleichungen oder vereinfacht über die Laplace Gleichung. Wesentlich ist, dass nicht die Elektrodenpotentialdifferenz, sondern das berechnete Potential an der Phasengrenzfläche den Stofftransfer im elektrischen Feld bestimmt, was durch die Simulationsrechnungen bestätigt wurde.

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

Accurate path tracking control of tractors became a key technology for automation in agriculture. Increasingly sophisticated solutions, however, revealed that accurate path tracking control of implements is at least equally important. Therefore, this work focuses on accurate path tracking control of both tractors and implements. The latter, as a prerequisite for improved control, are equipped with steering actuators like steerable wheels or a steerable drawbar, i.e. the implements are actively steered. This work contributes both new plant models and new control approaches for those kinds of tractor-implement combinations. Plant models comprise dynamic vehicle models accounting for forces and moments causing the vehicle motion as well as simplified kinematic descriptions. All models have been derived in a systematic and automated manner to allow for variants of implements and actuator combinations. Path tracking controller design begins with a comprehensive overview and discussion of existing approaches in related domains. Two new approaches have been proposed combining the systematic setup and tuning of a Linear-Quadratic-Regulator with the simplicity of a static output feedback approximation. The first approach ensures accurate path tracking on slopes and curves by including integral control for a selection of controlled variables. The second approach, instead, ensures this by adding disturbance feedforward control based on side-slip estimation using a non-linear kinematic plant model and an Extended Kalman Filter. For both approaches a feedforward control approach for curved path tracking has been newly derived. In addition, a straightforward extension of control accounting for the implement orientation has been developed. All control approaches have been validated in simulations and experiments carried out with a mid-size tractor and a custom built demonstrator implement.

Die Qualität hoch beanspruchter Oberflächen wird durch ihre Funktion festgelegt. Sogenannte Funktionsflächen sind dabei in vielen Bereichen der modernen Industrie zu finden. Zur Überwachung des Herstellungsprozesses dieser Flächen besteht daher stets ein Bedarf an sensitiver, genauer an die Bedürfnisse der Messaufgabe angepasster, Messtechnik. Ein Verfahren, welches aufgrund seines winkelmessenden Prinzips unempfindlich gegenüber Vibrationen ist und gleichzeitig eine flächige Beurteilung von Oberflächen ermöglicht, ist die winkelaufgelöste Streulichtmesstechnik. Sie nutzt das von einer rauen Oberfläche zurückgestreute Licht zur Charakterisierung. Während der Erwartungswert der gemessenen Streulichtverteilung Aufschluss über die Makrogestalt der Oberfläche liefert, enthält die Breite der Verteilung Informationen über die Mikrostruktur. Die vorliegende Arbeit betrachtet zwei Themenkomplexe dieser Messtechnik: Zunächst wird die Qualifizierung einer bereits bestehenden Messeinrichtung zur zweidimensionalen Erfassung von Streulicht mittels linearem Diodenarray durchgeführt. Im Anschluss erfolgt die Erweiterung der Messeinrichtung zur Erfassung der dritten Dimension. Dieses Ziel wird durch Verfolgung zweier Ansätze, einem rotierenden Prisma sowie einem flächigen Detektor, erreicht.

Die Preformmontage ist ein zentrales Element moderner Prozessketten zur effizien-ten Herstellung von CFK-Komponenten integraler Bauweise. Ihre technologische Darstellung mittels der Ultraschall-Schweißtechnologie erschließt neue Potentiale für die binderbasierte Preform-Prozesskette bezüglich der Reduzierung von Prozesszeit und Energieverbrauch, der Steigerung des Automatisierungsgrades und der Verar-beitung komplexer Geometrien unter Einsatz von Hochtemperatur-Bindersystemen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Ultraschall-Schweißtechnologie zur Montage bebinderter Preforms auf Basis grundlegender Untersuchungen entwickelt und anlagentechnisch umgesetzt. Studien der Wirkmechanismen des Prozesses zur Wärmeerzeugung und Laminatkompaktierung wurden durchgeführt. Die Gewichtung und Interaktion der Prozessparameter wurde mittels statistisch geplanter Versuche ermittelt und die mechanischen Eigenschaften verschweißter Laminate wurden ge-messen. Das aufgrund von Randeffekten stark ausgebildete Temperaturprofil im Pre-formlaminat wurde messtechnisch erfasst und rechnerisch modelliert. Die Studien bildeten die Grundlage zur Umsetzung eines robotergestützten, parameterüberwach-ten Ultraschall-Endeffektors.

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.

In Zeiten rasant ansteigender Energiepreise wird die Energieeinsparung durch Gewichtsreduzierung bewegter Massen, z. B. im Automobilbau, zunehmend wichtiger. In immer mehr Bereichen des Automobilbaues werden Faser-Kunststoff- Verbunde (FKV) aufgrund ihrer geringen Dichte eingesetzt. Positive Aspekte einer Faserverstärkung von Kunststoffen sind Verbesserungen der Steifigkeit und der Festigkeit. Negativ wirkt sich die Faserverstärkung hingegen auf die Bruchdehnung aus. Je nach eingesetztem FKV kann durch die geringe Bruchdehnung bei einem Crash nur wenig Energie absorbiert werden und es kommt zum strukturellen Versagen. Wegen der günstigen Material- und Verarbeitungskosten werden im Auto- mobilbau häufig langglasfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) verwendet. Diese können allerdings aufgrund ihrer suboptimalen Crasheigenschaften in vielen Bereichen des Fahrzeugbaues nicht eingesetzt werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Verbesserung der Crasheigenschaften von LFT durch eine Verstärkung mit Metalltextilien. Ziel ist es, den Anwendungsbereich von LFT im Auto- mobilbau zu erweitern. Aufgrund der Erfahrungen in vorangegangenen Arbeiten liegt der Fokus der vorliegenden Arbeit auf den Eigenschaften eines mit Edelstahl- schweißgitter (ESG) verstärkten LFT. Das Material wurde mit einer Vielzahl an Versuchen einer eingehenden mechanischen Charakterisierung unterzogen. Vor der Probenentnahme wurde die herstellungsbedingte Faserorientierung in Plattenebene untersucht. Dies geschah durch die Auswertung von Röntgen- und Durchlicht- aufnahmen. Es wurde eine hochgradige Faserausrichtung in Fließrichtung fest- gestellt. Mit Hilfe der Computertomographie war eine qualitative Untersuchung der lokalen Faserorientierung möglich. Weiterhin konnte die Beeinflussung der Faser- orientierung durch die Metalltextilverstärkung beobachtet werden. Aufgrund der Be- deutung der Interfaceeigenschaften zwischen Stahl und LFT für den ESG-LFT- Verbund wurden die Scher- und Normalfestigkeit mit Hilfe von Drahtauszug- und Stirnabzugversuchen bestimmt. Die Interfaceeigenschaften wurden für verschiedene Vorbehandlungsmethoden der metallischen Oberfläche untersucht. Eine Vorbehand- lung durch Druckluftstrahlen der Oberfläche führte zu den besten Haftungs- eigenschaften. Als Strahlmittel wurden Korundpartikel eingesetzt. Neben metall- textilverstärkten LFT-Proben wurden auch unverstärkte LFT-Proben als Referenzuntersucht. Es wurden quasistatische Versuche unter Zug- und Schubbelastung durchgeführt. Wegen der Crashanwendung wurden die Zugversuche auch unter kurzzeitdynamischer Belastung durchgeführt. Zusätzlich wurden Durchstoßversuche durchgeführt, um den Einfluss auf die Energieabsorption beobachten zu können. Um die Verbesserung der strukturellen Integrität zu demonstrieren, wurden einfache Demonstratorbauteile unter Zugbelastung getestet. Dabei konnte neben einer Bestimmung wichtiger Materialparameter eine erhöhte Energieaufnahme und eine verbesserte strukturelle Integrität nachgewiesen werden. Zur Erweiterung der experimentellen Erkenntnisse wurde ein parametrisiertes Simulationsmodell auf Mikroebene entwickelt. Anhand des Mikromodells gelang es, einen detaillierten Einblick in den Spannungszustand und das Versagensverhalten von ESG-LFT zu erhalten. Des Weiteren war es damit möglich, den Einfluss verschiedener Geometrieund Haftungsparameter auf die Verbundeigenschaften zu untersuchen. Die vorliegenden Erkenntnisse wurden zur Programmierung eines makromechanischen Simulationsmodells genutzt. Dieses zeigte, trotz der vorgenommenen Vereinfachungen, bereits gute Übereinstimmungen von Simulation und Experiment und konnte Hinweise für weiterführende Arbeiten liefern. Das entwickelte makromechanische Modell kann damit als Basis für die Weiterentwicklung dieses Materialmodells genutzt werden.

In der chemischen Industrie treten bei vielen Absorptions- und Desorptionsanlagen wässrige Lösungen flüchtiger schwacher Elektrolyte, d. h. chemisch gelöster saurer (z. B. Kohlendioxid, Schwefeldioxid) und basischer (z. B. Ammoniak) Gase auf, die oftmals auch Salze und organische Komponenten enthalten. Die dabei anfallenden Elektrolytlösungen müssen zur Rückgewinnung der beteiligten Einsatzstoffe sowie aus Umweltschutzgründen aufgearbeitet werden. Zur Auslegung und Optimierung solcher Verfahren sind Informationen zum Phasengleichgewicht erforderlich. Die Korrelation und Vorhersage solcher Phasengleichgewichte wird durch die in der flüssigen Phase ablaufenden chemischen Reaktionen und die dabei auftretenden ionischen Spezies maßgeblich beeinflusst. In früheren Arbeiten wurde ein thermodynamisches Modell für die Löslichkeit der Gase Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff und Ammoniak in wässrigen, auch salzhaltigen Lösungen entwickelt, in dem die in der flüssigen Phase auftretenden chemischen Reaktionen zwischen Ammoniak und den sauren Gasen berücksichtigt werden. Der Einsatz dieses Modells ist jedoch auf das Lösungsmittel Wasser beschränkt. Um auch die Vorgänge in Lösungsmittelgemischen aus Wasser und organischen Komponenten (über den gesamten Konzentrationsbereich, d. h. vom reinen Wasser bis zum reinen organischen Lösungsmittel) beschreiben zu können, wurde von ein neues thermodynamisches Modell entwickelt. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Modell weiter getestet und parametriert. Die hier vorliegende Arbeit behandelt Dampf – Flüssigkeit – Feststoff – Gleichgewichte (und die Gleichgewichte der benötigten Untersysteme) der Systeme (Wasser + Methanol + Ammoniak + Kohlendioxid + (Natriumchlorid / -sulfat)), (Wasser + Aceton + Kohlendioxid + (Natriumchlorid / -sulfat)) sowie (Wasser + 1–Propanol + 1–Methylimidazol + Natriumchlorid).

The present thesis is concerned with the simulation of the loading behaviour of both hybrid lightweight structures and piezoelectric mesostructures, with a special focus on solid interfaces on the meso scale. Furthermore, an analytical review on bifurcation modes of continuum-interface problems is included. The inelastic interface behaviour is characterised by elastoplastic, viscous, damaging and fatigue-motivated models. For related numerical computations, the Finite Element Method is applied. In this context, so-called interface elements play an important role. The simulation results are reflected by numerous examples which are partially correlated to experimental data.

Materials in general can be divided into insulators, semiconductors and conductors, depending on their degree of electrical conductivity. Polymers are classified as electrically insulating materials, having electrical conductivity values lower than 10-12 S/cm. Due to their favourable characteristics, e.g. their good physical characteristics, their low density, which results in weight reduction, etc., polymers are also considered for applications where a certain degree of conductivity is required. The main aim of this study was to develop electrically conductive composite materials based on epoxy (EP) matrix, and to study their thermal, electrical, and mechanical properties. The target values of electrical conductivity were mainly in the range of electrostatic discharge protection (ESD, 10-9-10-6 S/cm). Carbon fibres (CF) were the first type of conductive filler used. It was established that there is a significant influence of the fibre aspect ratio on the electrical properties of the fabricated composite materials. With longer CF the percolation threshold value could be achieved at lower concentrations. Additional to the homogeneous CF/EP composites, graded samples were also developed. By the use of a centrifugation method, the CF created a graded distribution along one dimension of the samples. The effect of the different processing parameters on the resulting graded structures and consequently on their gradients in the electrical and mechanical properties were systematically studied. An intrinsically conductive polyaniline (PANI) salt was also used for enhancing the electrical properties of the EP. In this case, a much lower percolation threshold was observed compared to that of CF. PANI was found out to have, up to a particular concentration, a minimal influence on the thermal and mechanical properties of the EP system. Furthermore, the two above-mentioned conductive fillers were jointly added to the EP matrix. Improved electrical and mechanical properties were observed by this incorporation. A synergy effect between the two fillers took place regarding the electrical conductivity of the composites. The last part of this work was engaged in the application of existing theoretical models for the prediction of the electrical conductivity of the developed polymer composites. A good correlation between the simulation and the experiments was observed. Allgemein werden Materialien in Bezug auf ihre elektrische Leitfähigkeit in Isolatoren, Halbleiter oder Leiter unterteilt. Polymere gehören mit einer elektrischen Leitfähigkeit niedriger als 10-12 S/cm in die Gruppe der Isolatoren. Aufgrund vorteilhafter Eigenschaften der Polymere, wie z.B. ihren guten physikalischen Eigenschaften, ihrer geringen Dichte, welche zur Gewichtsreduktion beiträgt, usw., werden Polymere auch für Anwendungen in Betracht gezogen, bei denen ein gewisser Grad an Leitfähigkeit gefordert wird. Das Hauptziel dieser Studie war, elektrisch leitende Verbundwerkstoffe auf der Basis von Epoxidharz (EP) zu entwickeln und deren elektrische, mechanische und thermische Eigenschaften zu studieren. Die Zielwerte der elektrischen Leitfähigkeit lagen hauptsächlich im Bereich der Vermeidung elektrostatischer Aufladungen (ESD, 10-9-10-6 S/cm). Bei der Herstellung elektrisch leitender Kunststoffen wurden als erstes Kohlenstofffasern (CF) als leitfähige Füllstoffe benutzt. Bei den durchgeführten Experimenten konnte man beobachten, dass das Faserlängenverhältnis einen bedeutenden Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der fabrizierten Verbundwerkstoffe hat. Mit längeren CF wurde die Perkolationsschwelle bereits bei einer niedrigeren Konzentration erreicht. Zusätzlich zu den homogenen CF/EP Verbundwerkstoffen, wurden auch Gradientenwerkstoffe entwickelt. Mit Hilfe einer Zentrifugation konnte eine gradierte Verteilung der CF entlang der Probenlängeachse erreicht werden. Die Effekte der unterschiedlichen Zentrifugationsparameter auf die resultierenden Gradientenwerkstoffe und die daraus resultierenden, gradierten elektrischen und mechanischen Eigenschaften wurden systematisch studiert. Ein intrinsisch leitendes Polyanilin-Salz (PANI) wurde auch für das Erhöhen der elektrischen Eigenschaften des EP benutzt. In diesem Fall wurde eine viel niedrigere Perkolationsschwelle verglichen mit der von CF beobachtet. Der Einsatz von PANI hat bis zu einer bestimmten Konzentration nur einen minimalen Einfluß auf die thermischen und mechanischen Eigenschaften des EP Systems. In einem dritte Schritt wurden die zwei oben erwähnten, leitenden Füllstoffe gemeinsam der EP Matrix hinzugefügt. Erhöhte elektrische und mechanische Eigenschaften wurden in diesem Fall beobachtet, wobei sich ein Synergie-Effekt zwischen den zwei Füllstoffen bezogen auf die elektrische Leitfähigkeit der Verbundwerkstoffe ergab. Im letzten Teil dieser Arbeit fand die Anwendung von theoretischen Modelle zur Vorhersage der elektrischen Leitfähigkeit der entwickelten Verbundwerkstoffe statt. Dabei konnte eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen festgestellt werden .

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

Zur Entwicklung von technischen Benutzungsoberflächen in der Investitionsgüterindustrie ist ein systematischer und durchgängiger Prozess essentiell, der in den einzelnen Prozessphasen besonders eine Nutzerorientierung unterstützt. Dieser Prozess bereitete bisher die Grundlage, um generell nutzerorientierte Benutzungsoberflächen zu entwickeln. Aus diesem Prozess resultiert eine Benutzungsoberfläche, welches spezielle Aufgaben unterschiedlicher Nutzer berücksichtigt. Es entsteht eine Benutzungsoberfläche für viele Nutzer. Die Unterschiedlichkeit der Nutzer findet keine explizite Umsetzung durch persönliche Präferenzen. Durch die steigende Informationsflut werden Nutzer aber in Zukunft überfordert werden. Daher kann bei Berücksichtigung dieser Präferenzen eine höhere Nutzerorientierung, eine Steigerung der Usability und eine Erhöhung der Bedieneffizienz von Nutzern erzielt werden. Zur Erreichung dieser Ziele ist eine umfassende Darstellung dieser Präferenzen notwendig. Sie unterteilen sich einerseits in Nutzereigenschaften, die zur Charakterisierung der Nutzer und Vereinfachung der nutzerspezifischen Datenerfassung dienen. Andererseits werden Präferenzen bezüglich der Entwicklung technischer Benutzungsoberflächen erhoben, um personalisierte Benutzungsoberflächen zu generieren. Diese allgemeine Darstellung muss in einzelnen Branchen konkretisiert werden. Diese Konkretisierung wird meist durch eine Untermenge der allgemeinen Darstellung umgesetzt. Für die Produktionsumgebung zeigt sich zum einen, dass sehr unterschiedliche Präferenzen hinsichtlich der Gestaltungsmerkmale existieren. Daher bestehen in dieser Branche nur vereinzelt Zusammenhänge zwischen Gestaltungsmerkmalen und weiteren Nutzereigenschaften. Zum anderen korrelieren die strukturellen Nutzerpräferenzen mit vielen verschiedenen Nutzereigenschaften. Auf Basis dieser Personalisierungsmerkmale entstehen Q-Personas nach [Coo99] für die Produktions-umgebung, die in sich homogene, aber untereinander heterogene Personalisierungsmerk-malsausprägungen aufweisen. Nutzer in der Produktionsumgebung können aufgrund der Beschreibungen der Q-Personas diesen zugeordnet werden. Eine Eigenschafts- und Präferenzmatrix dient dabei als Hilfsmittel zum Vergleich der Nutzercharakterisierung mit signifikanten Q-Personamerkmale. Die QPersonabeschreibungen bilden die Grundlage zur Entwicklung personalisierte Systeme. Diese Systeme dienen zum einen der Überprüfung der Auswirkungen der Personalisierung technischer Systeme auf die Benutzung. Zum anderen werden sie zur Überprüfung der Übertragbarkeit der entwickelten Q-Personas auf andere produktionstechnische Systeme als diejenigen, anhand derer die Q-Personas entwickelt wurden, verwendet. Die erste Untersuchung hierzu zeigt die Möglichkeit einer einfachen und schnellen Zuordnung von Nutzern zu Q-Personas. Die Ergebnisse beider Untersuchungen bestätigen deutliche Vorteile von personalisierten Systemen gegenüber neutralen, die hauptsächlich durch die Strukturierung erreicht werden. Diese zeigen sich in einer schnellen Aufgabenbearbeitung, weniger Fehlern, einer gesteigerten Zufriedenheit und einem erhöhten Wohlbefinden von Nutzern im Umgang mit ihrem personalisierten System. Die Gestaltung wirkt sich vergleichsweise gering auf die Bewertung aus. Die zweite Untersuchung berücksichtigt andere Systeminhalte. Dadurch zeigt sich die Übertragbarkeit der Personalisierung, indem eine problemlose Kompatibilität der entwickelten Q-Personas für dieses System möglich ist. Zur systematischen und effizienten Entwicklung von personalisierten technischen Benutzungsoberflächen ist eine Verbindung der Personalisierung mit dem Useware-Entwicklungsprozess unumgänglich. Alle Prozessphasen erfahren unterschiedliche Anpassungen, Erweiterungen und Änderungen. In der Analysephase ist eine Erweiterung des Anforderungskatalogs zur Erfassung der auftretenden Q-Personas notwendig. Die Auswertung in der Analysephase umfasst zusätzlich die Überprüfung, welche Q-Personas sich unter den Nutzern befinden. Als Ergebnis entstehen q-personabasierte Aufgabenmodelle. Die Strukturgestaltungsphase erfordert eine Erweiterung hinsichtlich der Attributierung der strukturierten Handlungen, Tätigkeiten und Operationen. Die generell gewünschte Strukturierungsart wird definiert. Verknüpfungen zwischen den einzelnen Objekten werden anhand der Aufgabenmodelle der Analysephase festgelegt. In der Gestaltungsphase werden aufgrund der in der Analysephase erhobenen Q-Personas unterschiedlich personalisierte Benutzungsoberflächen entwickelt, die die in der Strukturgestaltungs-phase entwickelte Struktur und ihre neue Attributierung umsetzen. Durch diese marginalen Erweiterung und Änderungen am Useware-Entwicklungsprozess entstehen auf effiziente Weise statt einer ursprünglichen nutzerorientierten Benutzungsoberfläche mehrere personalisierte Benutzungsoberflächen.

In der vorliegenden Arbeit wurden das quasistatische und das Ermüdungsverhalten von wirrfaserverstärktem Thermoplast mit Endlosfasern (D-LFT) und von gewebeverstärktem Thermoplast untersucht. Hierbei wurden ortsaufgelöste Verfahren der Deformationsanalyse, schwerpunktsmäßig die Ortsaufgelöste Hysteresismessung und ergänzend die Thermoelastische Spannungsanalyse, eingesetzt. Zur genauen Erfassung des Zerrüttungsvorgangs war in einer vorangegangenen Arbeit die Messgenauigkeit der Hysteresismessung deutlich verbessert worden, und es konnte auf diese sehr wichtigen Vorleistungen zurückgegriffen werden. Zur Gefügeanalyse wurden Röntgengrobstrukturuntersuchungen, Ultraschall- und REM-Untersuchungen durchgeführt. Bei der Untersuchung der quasistatischen Eigenschaften von D-LFT gibt die ortsaufgelöste Dehnungsanalyse wichtige Hinweise zum Werkstoffverhalten. Das Versagen tritt an der Stelle mit dem geringsten E-Modul auf. Die Festigkeitswerte zeigen relativ starke Streuungen aufgrund der Inhomogenität des Gefüges. Bei lokal-dehnungsorientierter Betrachtung tritt eine wesentlich geringere Streuung der Kennwerte auf. Die Bruchdehnung liegt in Abhängigkeit von Fasergehalt und Entnahmerichtung im Mittel zwischen 2,2 und 2,8 %. Dieser Befund der geringen Streuung der lokalen Bruchdehnung ist trotz der deutlichen Unterschiede der Strukturparameter und unterschiedlichen Fasergehalte bemerkenswert. Dieses interessante Charakteristikum des Werkstoffs macht das robuste Verhalten bei mechanischer Belastung von D-LFT-Bauteilen verständlich. Die starken Schwankungen der Festigkeit wirken sich auch beim Ermüdungsverhalten aus. Nur durch geeignete Voruntersuchungen, die sich auf das dehnungsorientierte Materialverhalten stützten, konnte der Prüfaufwand in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden. Die mechanisch-dynamischen Kennwerte zeigen bei Ermüdungsbelastung eine mäßige Dämpfungszunahme und eine geringe Steifigkeitsabnahme, verbunden mit einer starken Kriechneigung. Für die Analyse der beiden letzteren Effekte ist eine dehnungsorientierte Betrachtung hilfreich. Die Steifigkeitsabnahme wird durch die Kenngröße der Ausschlagsdehnung ersetzt und kann dann unmittelbar mit dem Kriechen, das durch die Mitteldehnung beschrieben wird, verglichen werden. Wie beim Zugversuch konnte auch beim Ermüdungsversuch eine dehnungsorientierte Analyse des Ermüdungsvorgangs durchgeführt werden. Diese führt zu einem Totaldehnungswöhlerdiagramm, in dem die Wöhlerlinien für Belastung senkrecht und quer zur Faserorientierung nahezu zusammenfallen. Es kann daher von einem maximalen Totaldehnungskriterium des Versagens ausgegangen werden. Der anisotrope, gewebeverstärkte Thermoplast wird statischen und dynamischen Zug- und Druckbelastungen unterworfen. Ergänzende Gefügeuntersuchungen ergeben leider keinen Zusammenhang zwischen der lokalen Kennwerteigenschaft und dem Gefügezustand, was auf den komplexen Aufbau (Wirrfasermittelschicht, beide Randschichten gewebeverstärkt) zurückzuführen ist. Die Werkstoffcharakterisierung an gewebeverstärktem Thermoplast wird bei zwei Chargen unter Zug-, und Druckschwellbelastung untersucht. Bei quasistatischer und dynamischer Belastung tritt das Versagen zumeist an der Stelle mit der geringsten lokalen Steifigkeit auf. Das mechanische Verhalten wird durch die anisotropen Eigenschaften stark bestimmt. Bei Zugschwellbelastung werden Kriechen und Steifigkeitsabnahme beobachtet, wobei bei senkrechter Belastung das Kriechen relativ stärker und die Steifigkeitsabnahme relativ schwächer ausfällt. Die Dämpfungszunahme bei der Ermüdungsbelastung ist z. T. intensiv. Insbesondere bei Charge 1 wird aufgrund von Haftungsschwächen bzw. Lunkern ein intensiver Dämpfungsanstieg mit der Lastspielzahl beobachtet. Bei Druckschwellbelastung sind Steifigkeitsabnahme und Kriechen geringer. Als Schadensphänomen wird vielfach ein spontanes Abscheren der Probe beobachtet. Ähnlich wie bei D-LFT führt eine totaldehnungsorientierte Betrachtung zu einem vergleichbaren Verlauf der Totaldehnungswöhlerdiagramme bei paralleler und senkrechter Belastung, während die Diagramme bei spannungsorientierter Betrachtung weit auseinander liegen. Das Verhalten von Ausschlags- und Mitteldehnung quantifiziert in Kenngrößen (mit gleichen physikalischen Einheiten) das Ermüdungsgeschehen hinsichtlich Steifigkeitsabnahme und Kriechen. Allerdings zeigt der Verlauf der Kenngrößen über der Lastspielzahl keine systematische Tendenz hinsichtlich des Einflusses der Spannungsamplitude, was auf Werkstoffinhomogenitäten zurückgeführt wird. Zur weiteren Auswertung wird daher eine Relativbetrachtung angestellt und hierfür der Wert von strain max / strain middle ermittelt. Durch diese Kennwertbildung wird die Streuung bezüglich des Spannungseinflusses deutlich reduziert, und es kann ein Tendenzverlauf der Messwerte in Abhängigkeit von der Spannungsamplitude angegeben werden.

The mechanical properties of semi-crystalline polymers depend extremely on their morphology, which is dependent on the crystallization during processing. The aim of this research is to determine the effect of various nanoparticles on morphology formation and tensile mechanical properties of polypropylene under conditions relevant in polymer processing and to contribute ultimately to the understanding of this influence. Based on the thermal analyses of samples during fast cooling, it is found that the presence of nanoparticle enhances the overall crystallization process of PP. The results suggest that an increase of the nucleation density/rate is a dominant process that controls the crystallization process of PP in this work, which can help to reduce the cycle time in the injection process. Moreover, the analysis of melting behaviors obtained after each undercooling reveals that crystal perfection increases significantly with the incorporation of TiO2 nanoparticles, while it is not influenced by the SiO2 nanoparticles. This work also comprises an analysis of the influence of nanoparticles on the microstructure of injection-molded parts. The results clearly show multi-layers along the wall thickness. The spherulite size and the degree of crystallinity continuously decrease from the center to the edge. Generally both the spherulite size and the degree of crystallinity decrease with higher the SiO2 loading. In contrast, an increase in the degree of crystallinity with an increasing TiO2 nanoparticle loading was detected. The tensile properties exhibit a tendency to increase in the tensile strength as the core is reached. The tensile strength decreases with the addition of nanoparticles, while the elongation at break of nanoparticle-filled PP decreases from the skin to the core. With increasing TiO2 loading, the elongation at break decreases.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Neuentwicklung der Betriebselektronik für eine Rasterkraftsonde die im Frequenzmodulationsverfahren betrieben wird. Rasterkraftsonden haben das Potenzial zukünftige Messaufgaben der Fertigungsmesstechnik, die durch Tastschnittgeräte und Optische Messgeräte nicht mehr gelöst werden, zu lösen. Als Grundlage für die Entwicklung eines Sensors zum Messen rauer, technischer Oberflächen dient die Akiyama-Sonde: bei dieser handelt es sich um eine Rasterkraftsonde deren Auslenkung sensorlos, ohne zusätzliche Bauteile, detektiert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst die Eignung der Akiyama-Sonde zum Messen technischer Oberflächen untersucht. Anschließend wurde eine neue Betriebselektronik für die Sonde entwickelt. Die neuentwickelte Elektronik zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus: in Kern besteht sie nur aus einem FPGA, einem Analog-Digital-Umsetzer und einem Digital-Analog-Umsetzer. Methodisch wurde bei der Entwicklung ein modellbasiertes Vorgehen gewählt: Zunächst wurde die Akiyama-Sonde in ihrem Arbeitspunkt modelliert. Basierend auf dem Modell erfolgte der virtuelle Entwurf der Betriebselektronik. Ein physikalischer Prototyp wurde somit erst spät im Entwicklungsprozess benötigt. Abschließend wurde anhand von Experimenten die Fähigkeit der neuen Betriebselektronik zum Messen von Auslenkungen im Nanometer-Bereich nachgewiesen.

Bei diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffen kann sowohl während des Compoundierens wie auch bei der Verarbeitung zum Fertigteil, durch Wechselwirkung zwischen den Fasern, der Fasern mit Maschinenkomponenten oder auch mit Zusatzstoffen (beispielsweise Farbpigmenten) eine Faserschädigung auftreten. Diese Interaktionen zeigen sich deutlich in der Abnahme der im Bauteil vorhandenen mittleren Faserlänge. Eine Überprüfung der Faserfestigkeit war bisher, auf Grund fehlender geeigneter Prüfmethoden bei den geringen Schlankheitsgraden bereits verarbeiteter Fasern, nicht oder nur eingeschränkt möglich. Mit einem am Lehrstuhl RPE entwickelten Mikrofaserbiegeversuch gelingt es, die Einzelfaserfestigkeit experimentell zu bestimmen. Dies bietet somit die Möglichkeit, das Schädigungsverhalten der meist spröden und kerbempfindlichen Fasermaterialien über die Verarbeitung hinweg zu untersuchen und zu quantifizieren. Da die (Rest-)Faserfestigkeit in diskontinuierlich verstärkten Bauteilen nun bestimmt werden kann, ist eine Lücke bei Berechnungen geschlossen, und das Wissen über Wirkzusammenhänge der Faserschädigung wird erweitert. Aufbau der Arbeit: In den Vorbetrachtungen zu dieser Arbeit werden zunächst kurz die Grundzusammenhänge zur Steifigkeits- und Festigkeitssteigerung der diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffe angesprochen und anschließend bestehende Modellvorstellungen zur Faserverstärkung bei Kunststoffen vorgestellt. Nachdem der Wissensstand zu bestehenden Messtechniken der mechanischen Fasercharakterisierung aufgezeigt ist, wird die entwickelte Messmethode des Dreipunktbiegeversuchs zur Faserfestigkeitsbestimmung ausführlich vorgestellt und deren Möglichkeiten und Einschränkungen diskutiert. Es folgt die Erläuterung der Notwendigkeit und der Vorgehensweise der statistischen Absicherung von Kennwerten spröder Verstärkungsfasern sowie die Vorgehensweise der Kennwertumrechnung auf reale Belastungen. Den Hauptteil bilden die einzelnen Untersuchungen mit jeweils anschließender Diskussion und Zusammenfassung. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit in einer ausführlichen Zusammenfassung erläutert. Durchgeführte Untersuchungen: Ein Schwerpunkt der Arbeit bildet die Überprüfung des Einflusses von Farbpigmenten, welche zur Einfärbung technischer Kunststoffe verwendet werden, auf die Eigenschaften diskontinuierlich kurz- und langfaserverstärkter Thermoplaste und BMC. Die Literatur beschreibt diesen Sachverhalt der teilweise drastischen Festigkeits- und Zähigkeitsminderung bei Einfärbung von FKV nur phänomenologisch oder führt die Effekte alleinig auf Wechselwirkungen Pigment/Matrix zurück, wobei dies zu einem unvollständigen und zumindest teilweise auch falschen Bild der Wirkzusammenhänge führt. Der Schädigungsverlauf der Fasern bei Einfärbung mit Pigmenten, deren Härte über der des Faserwerkstoffs liegt, wird quantitativ über die Verarbeitungsschritte hinweg bis zum Prüfkörper dargestellt. Durch die Kenntnis der Faserschwächung in Verbindung mit dem verarbeitungsbedingt nun verstärkten Faserbruch kann der Verlust an Verbundeigenschaften erklärt werden. Über die Vielzahl der Untersuchungen gelingt es, die Wirkzusammenhänge empirisch zu beschreiben und Erklärungsansätze zu geben. Dabei wurden die Messreihen systematisch aufeinander aufbauend durchgeführt und Zusammenhänge herausgearbeitet. Zwar sind die Untersuchungen oft grundsätzlichen Charakters und dienen eher der Evaluierung einer Vorstellung zum Schädigungsverlauf, dennoch wurde auf die Anwendungsbezogenheit Wert gelegt. Die Kenntnis der grundlegenden Wirkzusammenhänge bietet die Möglichkeit, Regeln und Maßnahmen zur Vermeidung übermäßiger Faserschädigung bei der Kunststoffeinfärbung abzuleiten. Ergebnisse werden beispielhaft an Rechnungen, die sich an bestehenden Modellen zu Festigkeit und Energieaufnahme der diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffe orientieren, überprüft und diskutiert. Grundlage ist hierbei die Bruchfestigkeit der Faser bei Zugbelastung. Da die an Einzelfasern durchgeführten Biegeversuche „nur“ Biegebruchspannungen ergeben, wird ein Verfahren beschrieben, mit dem es gelingt, von gegebenen Biegefestigkeiten in entsprechende Zugfestigkeiten umzurechnen. Der Zusammenhang wird über die effektiv belastete Faseroberfläche im Mikrobiegeversuch gegenüber der entsprechenden Fläche bei Zugbelastung geliefert. Basis der statistischen Kennwertberechnung ist hierbei die Weibullverteilung. Sie liefert eine exponentielle Verteilungsfunktion der Festigkeiten spröder Werkstoffe und ist auch für die Betrachtung der überwiegend behandelten Glasfilamente gut geeignet. Nach dem Prinzip „des schwächsten Gliedes“ geht demnach das Versagen des beobachteten Volumens vom größten Defekt innerhalb desselben aus. Voraussetzung der Anwendbarkeit ist hierbei, dass der Bruch des Materials von statistisch homogen verteilten Defekten einer Art ausgeht und nur Zugversagen auftritt (die homogene Defektverteilung bietet die Grundlage der Übertragung auf das Bauteil und damit das größere Volumen). Weitere Untersuchungen liefern Beiträge zum Recycling faserverstärkter Kunststoffe. So wird der hydrolytische Faserfestigkeitsabbau bei Kühlerwasserkästen aus PA6-GF35 betrachtet und eine Untersuchung der Faserfestigkeit nach dem SMC-Recycling (Partikelrecyclingverfahren) vorgestellt.

Fiber-reinforced plastics are hybrid materials designed for the needs of the 21st century. With their capability to form low weight structures, while preserving high stiffness and excellent damping, these composites provide solutions for a broad range of markets. Unfortunately, some of these advantages are not used in practice because there exist no fast and automated manufacturing processes for efficient production. In the research field of continuous-reinforced thermoplastic composites, industry is facing a challenge of high viscose polymer melt and thereby an imperfect fiber wet-out. As a result, synergy effects of fibers within a polymer could not be fully exploited. The topic of this work is to adapt new processing technologies for reactive thermoplastic polymers. On one hand, fast heating and cooling options offer processes with shorter cycle time, and on the other hand, low viscosity of reactive polymers impregnates the textile structures faster. This results in faster and cheaper manufacturing of composites that are yet to be realized for the market. All FRPCs were produced on a continuous compression molding press. As a noncontinuous technology, an inductive heated CageSystem® from RocTool has been selected. Entropically driven ring-opening cyclic oligomers form Cyclics with waterlike melt viscosities are chosen as reactive matrix. The viscosity of Cyclic Butylene Terephthalate (CBT*) was measured using a rheometer. The rheological behavior is determined under isothermal conditions for various temperatures. The chemical transformation from oligomer to macromolecule pCBT1 was assessed by size exclusion chromatography. Based on these studies, a kinetic polymerization model was constructed which involved an Arrhenius-type equation. By using the activation energy and pre-exponential factor, it was possible to offer an exact mathematical solution for the prediction of isothermal conversion. A numerical solution of the Arrhenius equation helped to predict the polymerization for any timetemperature conditions. Furthermore, the polymerization model was extended to describe the chemo-rheology. Inserting specific material parameters, the bipartite model was able to provide a numerical prognosis for the viscosity with the input parameters time-temperature. All models were calibrated and validated with the experimental data. The continuous compression molding press was used to consolidate CBT-prepregs and PBT-prepregs. As reinforcing phase, a multiaxial non-crimp-fabric from Ahlstrom was used. This fabric contained glass fibers with a “CBT*-compatible” sizing. The design of experiments was mainly focusing on the variation in the temperature distribution in process direction with respect to process speeds. An extensive analysis, from optical to energy absorption, was performed on the resulting FRPC-product, called organic sheet. All test results showed a better performance for GF-pCBT compared to GF-PBT. Even for much higher process speed, the material properties of GF-pCBT did not deteriorate strongly in contrast to GF-PBT. The enhancement was traced to a better fiber-matrix interface (e.g., ILSS values) and to an excellent fiber wet-out with pCBT (e.g., SEM pictures). Viscosity and impregnation are the main factors behind the transversal visco-elastic impregnation model that was deduced. An arithmetic function that tracks the impregnation process for the classical thermoplastic PBT and its reactive pendant CBT* was derived. This was based on the dimensionless B-factor which was considered as technology independent performance indicator. The model was able to link the fast impregnation with CBT* - the viscosity of which is 10-5 magnitude lower than PBT - to all temperature-time-conditions. An optimization method was used to find process parameters to realize a minimum cycle time for the continuous process. This model was adapted to the non-continuous pressing technology to find the minimum cycle time. To evaluate the economic potential, a transparent process analysis was set up in form of a static cost calculation. In a first step, all monetary activities from each technology were identified and rated. The cycle time - as main capacity indicator - was based on the chemo-rheological model introduced above. Different break-even analyses and production costs highlighted the techno-economic potential of the related process-material-combination. A synergistic effect between innovative process technologies and reactive thermoplastic polymer was found. Faster and more efficient technologies for the production of fiber-reinforced plastics have been systematically developed and evaluated. The results were achieved with an intelligent combination of manufacturing technology and modern reactive thermoplastic polymers. Moreover, the approach of this work can be transferred to the other reactive thermoplastic matrix-based composites.

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

An efficient multiscale approach is established in order to compute the macroscopic response of nonlinear composites. The micro problem is rewritten in an integral form of the Lippmann-Schwinger type and solved efficiently by Fast Fourier Transforms. Using realistic microstructure models complex nonlinear effects are reproduced and validated with measured data of fiber reinforced plastics. The micro problem is integrated in a Finite Element framework which is used to solve the macroscale. The scale coupling technique and a consistent numerical algorithm is established. The method provides an efficient way to determine the macroscopic response considering arbitrary microstructures, constitutive behaviors and loading conditions.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Tropfen-Tropfen Koaleszenzphänomenen in Flüssig-Flüssig Dispersionen. Ziel der Arbeit war es mit Hilfe einfacher Laborapparaturen die kennzeichnenden Koaleszenzparameter zu identifizieren und zu quantifizieren. Im Fokus der Untersuchungen lagen die von der EFCE (European Federation of Chemical Engineers) empfohlenen Teststoffsysteme Toluol/Aceton/Wasser und n-Butylacetat/Aceton/Wasser. Messungen in einem Rührbehälter bzw. in einer Venturizelle haben gezeigt, dass die Tropfen-Tropfen-Koaleszenz von einer Vielzahl von Parametern abhängig ist. Neben den Betriebs- und Stoffdaten bestimmt auch die chemische Zusammensetzung des Systems das Koaleszenzverhalten. Ionische Verunreinigungen und auch Basen haben eine koaleszenz-hemmende Wirkung, wohingegen Säuren und auch bestimmte Elektrolyte die Tropfen-Tropfen-Koaleszenz begünstigen. Beide Phänomene sind auf die Ladungsverteilung im Bereich der Phasengrenzfläche und die damit verbundene Ausdehnung der elektrochemischen Doppelschicht zurückzuführen. Im Falle von Stoffaustauschuntersuchungen bestimmt darüber hinaus auch die Anwesenheit einer Transferkomponente das Koaleszenzgeschehen. Beobachtungen aus der Literatur konnten bestätigt werden, dass die Koaleszenz verstärkt wird, wenn der Stoffaustausch von der dispersen in die kontinuierliche Phase realisiert wird. Tropfengröße und Hold-up sind dann, im Vergleich zu den Untersuchungen ohne Stoffaustausch, für die Koaleszenz nicht mehr relevant. Mit Kenntnis der grundsätzlichen Einflussfaktoren wurden die unbekannten Koaleszenz-parmeter im Segment eines technischen Extraktionsapparates vom Typ RDC (Rotating Disc Contactor) bestimmt. Dazu wurden die Tropfengrößenverteilungen am Ein- und Austritt des Segments in Abhängigkeit von Energieeintrag und Belastung vermessen. Auf Basis eines diskreten Tropfen-Populations-Bilanz-Modells wurde ein Optimierungsalgorithmus entwickelt, der unter Variation der modellspezifischen Anpassungsparameter die simulierte Tropfen-größenverteilung am Austritt an die experimentell bestimmte Verteilung anpassen kann. Modellansätze von Sovova und von Coulaloglou und Tavlarides waren Gegenstand der Optimierung. Die Berechnung der Tropfenaufstiegsgeschwindigkeit und der Zerfallsfrequenz erfolgte auf Basis von Korrelationen, die aus Einzeltropfenuntersuchungen entwickelt wurden. Auf Basis der zur Verfügung stehenden Modellparameter wurden Simulationsrechnungen für eine Technikumskolonne vom Typ RDC durchgeführt und mit experimentellen Messergebnissen verglichen und bewertet. Insbesondere die Simulationsergebnisse mit dem Stoffsystem n-Butylacetat/Wasser zeigten die Bedeutung der Koaleszenz für eine korrekte Kolonnenberechnung auf. Aufgrund der geringen Grenzflächenspannung des Systems sind die tropfengrößenspezifischen Zerfallswahrscheinlichkeiten bereits bei geringen Rotordrehzahlen verhältnismäßig hoch. Dies führt bei einer Vernachlässigung der Koaleszenz zu einer Tropfengrößenverteilung, die zu kleine Tropfendurchmesser voraus berechnet und signifi-kant von den experimentellen Ergebnissen abweicht. Insbesondere das Modell von Coulaloglou und Tavlarides vermag die Gegebenheiten für die untersuchten Betriebs- und Stoffdaten korrekt wiederzugeben. Das Modell von Sovova kann aufgrund seiner Modellcharakteristik die Tropfen-Tropfen-Koaleszenz in gerührten Flüssig-Flüssig-Dispersionen nicht exakt beschreiben.

In dem vorliegenden Dissertationsdokument werden die Ergebnisse aus der Forschung zu konzeptionellen Verfahrensentwürfen für die industrielle Anwendung von Enzym-Magnetpartikeln vorgestellt. Die Magnetpartikel im Mikrometermaßstab sind aufgrund ihrer geringen Größe, sphärischen Geometrie und der daraus resultierenden hohen spezifischen Oberfläche, ein attraktives Trägermedium für Biomoleküle. Aufgrund der Magnetisierbarkeit der Partikel können die Partikeltrajektorien in einem Flüssigkeitsstrom zudem durch ein Magnetfeld gesteuert werden. In einem Magnetfilter werden anhand dieser Wechselwirkungen die Magnetpartikel selektiv abgetrennt. Zur Konstruktion von Magnetfiltern wurde in dieser Arbeit die Computer-Aided-Design-Software Siemens NX 8 eingesetzt. Die Konstruktionsentwürfe wurden in die Software Comsol Multiphysics® 4.3a importiert. Die Software beinhaltet Differentialgleichungssysteme und -löser, mit denen das Magnet- und Fluidströmungsfeld in den untersuchten Magnetfiltern berechnet werden können. Es wurden geometrische Variationen an den Modellen vorgenommen, um Änderungen in der resultierenden Trennleistung zu erzielen. Die optimierten Filter wurden anschließend gefertigt und in experimentellen Untersuchungen erprobt. Dabei wurden Magnetpartikel mit und ohne Biomasse separiert und die Trennleistung bestimmt. Die Partikelsuspensionen wurden zudem hinsichtlich der Prozessintegration untersucht. Dabei stand der Medianpartikeldurchmesser im Vordergrund der Untersuchung. Es wurde überprüft, wie sich die Partikelgrößenverteilung bei variierten pH-Werten und Salzkonzentrationen verändert. In diesem Kontext wurde die Homogenisierung der Magnetpartikel in einem Ultraschall-Homogenisator untersucht. Am Institut für biotechnisches Prozessdesign standen zwei verschiedene Separatoren zur Verfügung, für welche die Filterkammern optimiert wurden. Für den mit Permanentmagneten betriebenen Magnetseparator von der Firma Steinert Typ HGF10 wurde eine mit Quarzgläsern ausgestattete Filterkammer entworfen und gefertigt (Patentanmeldung AZ 102012023382.5). Dadurch konnten die Partikelablagerungen während der Filtration und nach der Reinigung untersucht werden. Im untersuchten Arbeitsbereich bis zu einer Kapazität von ca. 83 g/L wurde kein Partikeldurchbruch detektiert. In vorigen Arbeiten mit Magnetfiltern mit vergleichbarer Geometrie wurde festgestellt, dass die Strömung im Anfangsbereich des Filters maßgeblich die Partikelretention beeinflusst. Darauf aufbauend wurde in dieser Arbeit der Einfluss von statischen Mischern charakterisiert, um Unterschiede in der Lineargeschwindigkeit der Flüssigkeit zu minimieren und ein möglichst propfenförmiges Strömungsprofil herzustellen. Die Optimierung der Filterkammer wurde im nächsten Schritt mit Analysen zur Auswirkung von geometrischen Variationen in der Filtermatrix weitergeführt. Es wurden in dieser Arbeit die Geometrien von Filtermatrices aus gestapelten Filterblechen mit Aussparungen näher untersucht. Anhand Simulationsdaten und Ergebnissen aus experimentellen Versuchen wurde eine Korrelation zwischen der Partikelretention und der Anzahl an Kanten in der Filtermatrix gefunden. Je mehr Kanten in der Matrix vorkommen, desto weniger Partikel gehen im Filtrat verloren. Abschließend wurde die Reinigung der Filterkammer mit der Zweiphasenströmung näher untersucht und der Einsatz von Druckluft erprobt. Die Druckluft wurde zum Erzeugen von dispergierten Luftblasen im Flüssigkeitsstrom simultan zur laufenden Peristaltikpumpe in die Zufuhrleitung der Filterkammer injiziert. Während der Reinigungsprozedur werden mittels der Luftblasen die Partikelablagerungen mechanisch gelöst und mit der Strömung aus der Filterkammer gespült. In biotechnologischen Produktionen gelten besondere Richtlinien und Regeln zum Einhalten von Reinigungsverfahren. Im Rahmen magnetpartikelbasierter Prozesse ist hierbei ein besonderes Augenmerk auf feinste partikuläre Rückstände nach der Reinigung zu legen. Aufgrund der in Magnetfiltern vorhanden Filtermatrix mit einer komplexen Geometrie kann den Untersuchungen zur Folge nicht von einer vollständigen Entfernung ausgegangen werden. Um bei derartig streng regulierten Produktionen trotzdem ein Filtersystem zur Verfügung zu haben, wurde in dieser Arbeit der Einsatz von Einweg-Hochgradienten-Magnetfiltern erprobt. Die Einweg-Magnetfilter-Prototypen wurden auf Basis von Kunststofffolien hergestellt, die zusammengeschweißt wurden, um eine Art Beutel mit Ein- und Auslass herzustellen. Mit den gefertigten Prototypen wurden exemplarische Filtrationen durchgeführt, um die Eignung für industrielle Prozesse zu testen. Um einen Einweg-Magnetfilter für die Anwendung attraktiv zu gestalten, musste sichergestellt sein, dass die Rückstände an Partikeln nach der Reinigung gering sind, weil jegliche Partikelreste mit dem Einweg-Magnetfilter verworfen werden würden. Die untersuchten Prototypen zeichneten sich durch eine hohe Partikelretention mit einer Kapazität von ca. 35 g/L und minimale Rückstände nach der Reinigung aus. Der zweite am Forschungsinstitut vorhandene Magnetseparator wurde mit einem Elektromagnet betrieben. Der in dem Separator eingebaute Magnetfilter wurde mit einer Filtermatrix nach dem Rotor-Stator-Prinzip gefertigt. Es sind im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Magnetfiltern zwei Arten von Filterblechen in dem Filter eingebaut. Zum einen nicht bewegliche Statorbleche und zum anderen rotierbare Rotorbleche. Die Rotorbleche sind über eine drehbare Welle miteinander verbunden. Dabei entstehen zwischen den Filterblechen hohe Scherraten, wodurch nach der Filtration die Partikelablagerungen effizient gelöst und aus dem Filter gespült werden können. Die Filterbleche besitzen Aussparungen mit welchen die Partikelretardierung und -resuspendierung beeinflusst wird. Die Einflussfaktoren wurden in Simulationen näher untersucht, um eine Geometrie der Aussparungen zu finden, mit welcher sich die Reproduzierbarkeit der Filtrationen erhöhen ließ. Bei dem Magnetfilter mit einer Rotor-Stator-Filtermatrix wurde eine Kapazität von ca. 170 g/L ohne Durchbruch erreicht. Die zuvor beschriebenen Magnetfilter waren dafür konzipiert worden, separat von einem Reaktor betrieben zu werden. Die Reaktionssuspension wird aus dem Reaktor und anschließend durch den Filter gepumpt. Im Gegensatz dazu wurde ein In-situ-Magnetseparator entwickelt, mit dem magnetische Partikel direkt im Reaktor durch eine magnetische Lanze aus der Reaktionssuspension eingefangen werden können. Durch eine Linearbewegung der Lanze werden die angehefteten Partikel aus dem Reaktor transferiert. Danach können die Magnetpartikel von der Lanze gelöst werden und in einen Aufbewahrungsbehälter gepumpt oder wieder in den Reaktor geführt werden. Der Separator bietet die Möglichkeit, in einem Reaktor eine Fermentation oder Biokatalyse in Gegenwart der funktionalisierten Magnetpartikel durchzuführen und in drei Schritten die Partikel aus dem Reaktor zu entfernen oder für eine anschließende Produktion wiederzuverwenden.

In recent years the field of polymer tribology experienced a tremendous development leading to an increased demand for highly sophisticated in-situ measurement methods. Therefore, advanced measurement techniques were developed and established in this study. Innovative approaches based on dynamic thermocouple, resistive electrical conductivity, and confocal distance measurement methods were developed in order to in-situ characterize both the temperature at sliding interfaces and real contact area, and furthermore the thickness of transfer films. Although dynamic thermocouple and real contact area measurement techniques were already used in similar applications for metallic sliding pairs, comprehensive modifications were necessary to meet the specific demands and characteristics of polymers and composites since they have significantly different thermal conductivities and contact kinematics. By using tribologically optimized PEEK compounds as reference a new measurement and calculation model for the dynamic thermocouple method was set up. This method allows the determination of hot spot temperatures for PEEK compounds, and it was found that they can reach up to 1000 °C in case of short carbon fibers present in the polymer. With regard to the non-isotropic characteristics of the polymer compound, the contact situation between short carbon fibers and steel counterbody could be successfully monitored by applying a resistive measurement method for the real contact area determination. Temperature compensation approaches were investigated for the transfer film layer thickness determination, resulting in in-situ measurements with a resolution of ~0.1 μm. In addition to a successful implementation of the measurement systems, failure mechanism processes were clarified for the PEEK compound used. For the first time in polymer tribology the behavior of the most interesting system parameters could be monitored simultaneously under increasing load conditions. It showed an increasing friction coefficient, wear rate, transfer film layer thickness, and specimen overall temperature when frictional energy exceeded the thermal transport capabilities of the specimen. In contrast, the real contact area between short carbon fibers and steel decreased due to the separation effect caused by the transfer film layer. Since the sliding contact was more and more matrix dominated, the hot spot temperatures on the fibers dropped, too. The results of this failure mechanism investigation already demonstrate the opportunities which the new measurement techniques provide for a deeper understanding of tribological processes, enabling improvements in material composition and application design.

Ausgelöst durch gestiegene Leichtbauanforderungen kommen im Automobilbau vermehrt Verbund- und Hybridbauweisen zum Einsatz. Verschiedene Materialien werden gemäß den jeweiligen spezifischen Anforderungen einzelner Bauteile bzw. Baugruppen ausgewählt, um ihr Potential bezogen auf das Gewicht und die (mechanische) Funktionalität optimal auszuschöpfen. Hierbei kann auch bei Großserienanwendungen neben der klassischen Blechschalenbauweise der Einsatz von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen zielführend sein. Allerdings sind entwicklungsspezifische Besonderheiten zur funktionalen Absicherung bzw. Auslegung derartiger Konzepte zu bewältigen. Dabei sind sowohl die Anforderungen an die Steifigkeit und die (Betriebs-)Festigkeit als auch die Vorgaben an die passive Sicherheit maßgebend. Bauteile aus kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden, stellen hier eine besondere Herausforderung dar. Das mechanische Verhalten ist von zahlreichen Faktoren wie lokal unterschiedlichen Faserorientierungen, viskosen Effekten und Umgebungseinflüssen abhängig. Um Zeit und Kosten zu sparen, ist im heutigen Produktentwicklungsprozess von Fahrzeugen bzw. bei der Auslegung der einzelnen Bauteile die Berechnung aller relevanten Lastfälle mittels numerischer Simulationen unumgänglich. Die Weiterentwicklung der Methoden und Modelle zur Simulation von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen sind in den letzten Jahren verstärkt durch verschiedene Forschungsprojekte vorangetrieben worden. Dabei spielt auch die einhergehende Charakterisierung der Werkstoffe eine tragende Rolle. Ziel dieser Arbeit ist, die verfügbaren Methoden zur Berechnung und Charakterisierung von Spritzgussbauteilen aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen aufzuzeigen, weiterzuentwickeln und anhand wissenschaftlicher Experimente zu validieren. Hierbei werden quasi-statische und crashrelevante Versuche mit verschiedenen Probekörpern durchgeführt und analytisch weiterverarbeitet. Im Anschluss werden diese zum Aufbau ausgewählter Rechenmodelle eines expliziten FE-Solvers genutzt. Angewendet werden dabei sowohl rein phänomenologische als auch integrative mikromechanische Simulationsmethoden mit isotropen und anisotropen elasto-plastischen bzw. elasto-viskoplastischen Ansätzen.

Die Entwicklung des ersten 3D-druckbaren Smartphonephotometers zur Erfassung kinetischer und statischer Messdaten enzymatischer und chemischer Reaktionen am Smartphone ohne den Einsatz zusätzlicher elektronischer Komponenten oder aufwändiger optischer Komponenten wird vorgestellt. Die Entwicklung erfolgt sowohl im Bereich der Umweltanalytik zum Nachweis von Schwermetallbelastungen in Gewässerproben im Rahmen von Citizen Sciences Anwendungen als auch als point of need Analysesystem zum industriellen Einsatz in Winzereibetrieben unter jeweils angepassten Zielsetzungen und Beispielsystemen. Für die verschiedenen Anwendungsbereiche werden unterschiedliche Systeme mit angepassten Zielsetzungen entwickelt. Ein küvettenbasiertes System wird in Hinblick auf die Anforderungen des Citizen Sciences Bereichs entwickelt. Ein kapillarbasiertes Smartphonephotometer und –nephelometer wird entwickelt um den Anforderungen in Winzereibetrieben optimal zu entsprechen. Verwendung finden im Bereich der Umweltanalytik enzymatische Assay, die in herkömmlichen Küvetten durchgeführt werden. Die Assays beruhen auf der Erfassung inhibitorischer Effekte auf die Aktivität von Enzymen und Enzymkaskaden durch Schwermetallbelastungen in Gewässerproben. Im Anwendungsfeld der Weinanalytik werden chemisch Parameter am Smartphonephotometer bestimmt. Die photometrische Analyse wird in vorkonfektionierbaren Assaykapillaren durchgeführt. Dies ermöglicht die Realisierung minimaler Anforderungen an die durchführenden Personen bei maximaler Reproduzierbarkeit der Untersuchungsergebnisse. Die Smartphonephotometer sind unter Verwendung der smartphoneeigenen Blitzlicht-LED als Lichtquelle in der Lage Änderungen der Extinktion in den Wellenlängenbereichen von 410-545 nm, 425-650 und 555-675 nm zu quantifizieren. Die Einschränkung der spezifischen Wellenlänge wird durch die inhomogenen Emissionsspektren der LED der Blitzlicht-LED des Smartphones verursacht. Nephelometrische Trübungsmessungen können bis zu einer Trübung von 250 FNU quantitativ durchgeführt werden.

This thesis is concerned with the modeling of the domain structure evolution in ferroelectric materials. Both a sharp interface model, in which the driving force on a domain wall is used to postulate an evolution law, and a continuum phase field model are treated in a thermodynamically consistent framework. Within the phase field model, a Ginzburg-Landau type evolution law for the spontaneous polarization is derived. Numerical simulations (FEM) show the influence of various kinds of defects on the domain wall mobility in comparison with experimental findings. A macroscopic material law derived from the phase field model is used to calculate polarization yield surfaces for multiaxial loading conditions.

Lattice Boltzmann Methods have shown to be promising tools for solving fluid flow problems. This is related to the advantages of these methods, which are among others, the simplicity in handling complex geometries and the high efficiency in calculating transient flows. Lattice Boltzmann Methods are mesoscopic methods, based on discrete particle dynamics. This is in contrast to conventional Computational Fluid Dynamics methods, which are based on the solution of the continuum equations. Calculations of turbulent flows in engineering depend in general on modeling, since resolving of all turbulent scales is and will be in near future far beyond the computational possibilities. One of the most auspicious modeling approaches is the large eddy simulation, in which the large, inhomogeneous turbulence structures are directly computed and the smaller, more homogeneous structures are modeled. In this thesis, a consistent large eddy approach for the Lattice Boltzmann Method is introduced. This large eddy model includes, besides a subgrid scale model, appropriate boundary conditions for wall resolved and wall modeled calculations. It also provides conditions for turbulent domain inlets. For the case of wall modeled simulations, a two layer wall model is derived in the Lattice Boltzmann context. Turbulent inlet conditions are achieved by means of a synthetic turbulence technique within the Lattice Boltzmann Method. The proposed approach is implemented in the Lattice Boltzmann based CFD package SAM-Lattice, which has been created in the course of this work. SAM-Lattice is feasible of the calculation of incompressible or weakly compressible, isothermal flows of engineering interest in complex three dimensional domains. Special design targets of SAM-Lattice are high automatization and high performance. Validation of the suggested large eddy Lattice Boltzmann scheme is performed for pump intake flows, which have not yet been treated by LBM. Even though, this numerical method is very suitable for this kind of vortical flows in complicated domains. In general, applications of LBM to hydrodynamic engineering problems are rare. The results of the pump intake validation cases reveal that the proposed numerical approach is able to represent qualitatively and quantitatively the very complex flows in the intakes. The findings provided in this thesis can serve as the basis for a broader application of LBM in hydrodynamic engineering problems.

Sicherheitstechnik ist eine sehr breit gefächerte Querschnittsdisziplin mit der Aufgabe Mensch und Umwelt vor den Gefahren von Maschinen, Prozessen und technischen Anlagen zu schützen. Während im 19ten Jahrhundert Anlagen durch Erfahrungswissen sicher gestaltet worden sind, ist in der Sicherheitstechnik heute eine sehr systematische Analyse von Gefahren und Risiken üblich. Dazu ist eine spezielle Denkweise im Umgang mit stochastischen Prozessen und Unsicherheiten bei der Modellierung hilfreich, die der Verfahrenstechniker oder Chemieingenieur ebenso wenig im Studium erlernt wie ein Maschinenbauer oder Chemiker. Die Sicherheitstechnik selbst und ihre Sicherheitskonzepte sind über lange Zeiträume entstanden, beginnen mit Grundlagenforschungen, die anwendungsorientiert zu speziellen sicherheitstechnischen Apparaten oder Modellen geführt haben. Diese Apparate und Modelle sind anschließend eingebunden worden in Sicherheitskonzepte für spezielle Anlagen wie Chemiereaktoren oder Gashochdruckleitungen. In der vorliegenden Arbeit ist die Breite der Sicherheitstechnik und ihre Entwicklung an sehr unterschiedlichen Beispielen verdeutlicht worden. Grundlegende Erkenntnisse aus der Zweiphasenströmung führen zu Modellen wie der Auslegung von klassischen Notentlastungsleitungen oder zur Entwicklung von Rückhalteeinrichtungen. Diese sind Bestandteil von sehr unterschiedlichen Anlagensicherheitskonzepten bei Wärmeübertragern, in der Hochdrucktechnik oder bei Multipurpose-Anlagen. Die Forschung zu Grundlagen der Zweiphasenströmung führt auch zu neuen Sicherheitskonzepten für Gashochdruckleitungen. Am Beispiel von sicherheitsrelevanten Armaturen ist die langjährige Entwicklung von Modellen zur Bemessung dieser Bauteile aufgezeigt worden. Ausgehend von einem einfachen Düsenmodell wurden immer mehr Parameter berücksichtigt, um nicht nur sicherheitsrelevante Ventile und Berstscheiben auszulegen, sondern auch Klappen, Blenden, Stellventile und andere Armaturen. Durch eine hinreichende Validierung der Modelle entstehen aus der Forschung neue Erkenntnisse für eine signifikante Weiterentwicklung des Stands der Sicherheitstechnik.

Das Fügen von Faserverbunden und Metallen durch Induktionsschweißen ist ein neuartiges Verfahren, das im Rahmen einer DFG-Forschergruppe entwickelt wurde. In dieser Arbeit werden auf solche Weise hergestellte Fügungen zwischen einer Aluminiumlegierung (AlMg3) und CFK (kohlenstofffaserverstärktes Polyamid) experimentell und simulativ untersucht. Detaillierte Kenntnisse über das mechanische Verhalten und den Einfluss der Prüfgeschwindigkeit und der Temperatur darauf sind für einen späteren Einsatz der Fügetechnik bei der Verbindung von Bauteilen wichtig. Die begleitend durchgeführten Simulationen auf Basis der Finiten Elemente (FE) ermöglichen einen Blick in das Innere der Fügezone und stellen nach der Validierung mit Hilfe der Experimente eine Erweiterung der Messtechnik dar. Besondere Anforderungen an die Messtechnik entstehen bei diesen Untersuchungen aus den geringen Abmessungen des Fügebereiches. Ergänzend durchgeführte makroskopische und mikroskopische (Rasterelektronenmikroskop) Bruchflächenanalysen untermauern die Schlüsse und Erläuterungen aus den experimentellen und simulativen Untersuchungen. Abgeleitet von kritischen Lastfällen wird das mechanische Verhalten an Grundlagenexperimenten in Quer-Druck- und Schubversuchen untersucht und simuliert. Für die globale und lokale Verschiebungsanalyse, die eine detaillierte Versuchsauswertung und einen Abgleich mit den Simulationen ermöglicht, wird das Grauwertkorrelationsverfahren eingesetzt. Die wichtigsten experimentellen Ergebnisse sind: Bei den Quer-Druck-Versuchen kommt es zu einer normalspannungsdominierten Schälbelastung in der Fügezone mit einem konstant wachsenden Riss. Die Temperaturvariationen im Bereich von -30 °C und 80 °C haben fast keinen Einfluss auf das mechanische Verhalten. Die Prüfgeschwindigkeitsvariationen im Bereich von 0,03 mm/s bis 1500 mm/s zeigen bei steigenden Prüfgeschwindigkeiten einen deutlichen Anstieg der maximalen Kräfte und Verschiebungen. In den Versuchen ist ein adhäsiver Versagensmode zu beobachten. Eine Ausnahme bilden die Versuche bei höheren Prüfgeschwindigkeiten, bei denen ein grenzschichtnahes Versagen in der Fügezone auftritt. In den Schubversuchen kommt es zu einem stärker mehrachsialen Spannungszustand in der Fügezone, der von Schub- und Normalzugspannungen dominiert wird. Die erreichten Kräfte liegen deutlich über denen der Quer-Druck-Versuche. Dieses Kraftniveau ist kaum beeinflusst von den Temperaturvariationen zwischen -30 °C und 80 °C. Die Prüfgeschwindigkeitssteigerungen bis zu 1500 mm/s haben einen signifikanten Einfluss auf die Kräfte und besonders auf die maximalen Verformungen. Die Bruchflächen sind in den meisten Versuchen adhäsiv dominiert. Bei Temperaturen von -30°C und Prüfgeschwindigkeiten von 500 mm/s und 1500 mm/s bilden sich hingegen Bereiche mit grenzschichtnahem Versagen und köhasiven Anteilen. Die REM-Untersuchungen der Bruchbilder zeigen, dass mechanisches Interlocking einen maßgeblichen Beitrag zur Haftung zwischen Polyamid und Aluminium leistet. Die Simulationen wurden mit Hilfe der globalen und lokalen Verschiebungszustände in den Grundlagen- und zusätzlich durchgeführten Versuchen validiert und zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten. Die Spannungszustände im Inneren der Fügezone sind wegen der unterschiedlichen Fügewerkstoffe und Steifigkeiten unsymmetrisch und stark inhomogen. Es bilden sich in allen simulierten Versuchen am Rand Spannungsspitzen, die zum Versagen führen, während in der Fügezonenmitte ein niedriges Spannungsniveau vorherrscht. Mit wachsendem Riss steigen die Spannungen im Inneren der Restfügezone in geringem Maße, bis es zur vollständigen Trennung des AlMg3- und des CFK-Fügeteils kommt. Eine Parameterstudie mit dem validierten Simulationsmodell der Schweißung zeigt, wie eine erhöhte Dicke des AlMg3-Fügeteils oder ein Anstieg der CFK-Steifigkeit zu einer günstigeren Spannungsverteilung in der Fügezone und so zu höheren Versagenskräften führt. Die in dieser Arbeit erzielten experimentellen und simulativen Ergebnisse tragen zum Verständnis der Vorgänge bei mechanisch belasteten induktionsgeschweißten Fügungen zwischen Faserverbunden und Metallen bei. Der eingeschlagene Weg und die zum Einsatz gebrachten Methoden sind auch auf andere Verbindungen übertragbar. Das aufgebaute und validierte Simulationsmodell kann dabei für weiterführende Parametervariationen oder zur mikromechanischen Analyse der Schweißungen eingesetzt werden.

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

The introduction to the topic is a description of the techno-economic evolution of composites. Apart from this, today’s market state of the art of composites is also explained. As a conclusion, the principal trend towards the higher quality by the increased application of carbon fibers is ascertained. In particular, it is pointed out that the restraints of the market growth are mainly caused by the high price, most notably, of the fiber materials. This situation, in connection with the maturation of the composite manufacturing processes, demands the need of a cost calculation tool. In the second step, former composite cost models and their implementations into software – if available – are described and benchmarked. As a result it is proposed to combine, different approaches because of their fundamental potential as well as the deficits. It is suggested to use a resource-based methodology combined with the PBKM (prozessbasierte Kostenmodellierung = process-based cost modelling) and to implement the models in a cost calculation software. The first aim is an economic process analysis which is carried out to receive an abstract and modular system. Thereby, it is possible to describe the production processes by successive refinement more and more detailed. The process is divided in multiple steps which are itself subdivided in technical activities or handlings. The relevant cost objects with the identifiable cost positions are assigned to those handlings. This approach assures modularity and offers the possibility of an easy software implementation. In addition, the functionality of this methodology is demonstrated considering the two examples “thermoplastic tape placement” and “continuous pressing”. For that reason these composite manufacturing techniques are analyzed and the structure is mapped within the use of suggested methodology. The next topic deals with the modelling of the cycle time for the thermoplastic tape placement with the use of the PBKM. Within this methodology the derivation of the cycle time depends only on physical process parameters, which results in a geometrical complexity based model. The developed model is verified by comparing of the theoretically derived values with practical experiments. Along with this, the assumptions for this model are revised and verified. As a technical enhancement of the tape placement process, different designs of a geometry-adaptive consolidation role are introduced. This technical extension of the process technology is necessary for the final verification of the model. The new consolidation unit enables to move all geometrical degrees of freedom and complexities with the same laminate quality. Finally, a possibility to transfer the methodology of the PBKM to other technologies is proved. Therefore, it is offered a modus operandi how the continuous pressing technique can be modelled with the help of the PBKM. The last chapter deals with the cost calculation tool concerning the structural configuration, design, and functionality of the software. It is the consequential synthesis of the results of the economic process analysis and the cycle time models. The practicability of the modularity is proved by its application in the design phase of the software and by the integration of the modelling into the tool. The developed cost calculation software for composite manufacturing processes offers a standardization of the inputs and calculation algorithms by the use of introduced process analysis, the subdivision into smallest units. The cycle time calculation models are process specific know-how which can easily be used unlike an expert's system. The separation of the single functional entities assures a stringent data management, possibilities for the advancement, and furthermore, the variableness of representation and reuse of the derived data. The functionality of the cost tool concerning evaluations and comparisons are pointed out with two case studies. Plus, the postulated transferability of the methodology on other composite technologies is demonstrated. The main advantage of this system is that the modelling offers economical statements of different process variations without experimentation. Besides, the values ascertained by the PBKM are more precise compared to other existing models. Therefore, the PBKM can be the basis for investment decisions like technology change or modifications and helps to identify techno-economic limitations and potentials. This version of the cost calculation software offers only the standard repertoire of cost evaluations and comparisons which turn out to be upgradeable. Thus, there exists potential to enhance the functionality concerning sensitivity analyses, the integration of cycle time models for other composite processing technologies, and further possibilities for the graphic processing. As a conclusion the software with the combination of different attempts offers a good starting position with respect to the current evolution status and should be extended.

Elastische Klebverbindungen werden heute in der Praxis immer häufiger lastabtragend eingesetzt. Daher steigt auch die Nachfrage nach zuverlässigen Berechnungsmethoden und Beurteilungskriterien für diese Klebstoffe. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand von geeigneten Prüfmethoden, Werkstoffkennwerte für Werkstoffgesetze, die für FE-Berechnungen geeignet sind, zu bestimmen und diese zu überprüfen. Außerdem soll der Grenzzustand der Beanspruchbarkeit untersucht werden um einerseits bewerten zu können, bis zu welchem Beanspruchungszustand die verwendeten Werkstoffgesetze einsetzbar sind und andererseits um die Grenzbelastungen für diese Klebstoffe beurteilen zu können. In dieser Arbeit wurden zwei elastische Klebstoffe untersucht, einer auf Silikon und einer auf Polyurethanbasis. Die Ermittlung der Werkstoffkennwerte erfolgt an Normproben, die den Vorteil einer weiten Verbreitung und Reproduzierbarkeit bieten. Das Werkstoffverhalten wurde unter Zug-, Schub- und Druckbelastung untersucht. Dabei wurde die Belastungsgeschwindigkeit in allen Belastungsarten so gewählt, dass der Energieeintrag pro Volumen und Zeiteinheit für alle Belastungsarten gleich ist. Dies bietet den Vorteil, dass für alle Belastungsarten der gleiche energetische Zustand des Klebstoffes untersucht wird. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die Bestimmung der Werkstoffkonstanten für Green’sche Werkstoffgesetzte. Diese haben sich für die Berechnung von elastomeren Werkstoffen bewährt. Die Kennwerte für diese Werkstoffgesetze wurden durch Methoden der Ausgleichsrechnung (Methode der kleinsten Quadrate) iterativ so bestimmt. Die Überprüfung der Kennwerte erfolgt anhand von Kopfzugproben. Diese geklebten Proben mit mehrachsigen Spannungszuständen zeigen eine Vielzahl von in der Praxis relevanten Spannungszuständen und damit besonders für die Überprüfung der Werkstoffgesetze geeignet. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Anhand dieser Probengeometrie werden auch der Grenzzustand der Beanspruchung und die hierfür maßgeblichen mechanischen Größen untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die Formänderungsenergiedichte als Bewertungsgröße für den Grenzzustand und das Eintreten von Schädigungen im Werkstoff geeignet ist.

Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit thermodynamischen Grundlagen einiger Prozesse der chemischen Industrie, in denen ionische Flüssigkeiten eingesetzt werden. Die ionischen Flüssigkeiten werden z.B. als Lösungsmittel für chemische Reaktionen, oder als Alternativen zu klassischen Lösungsmitteln diskutiert. Im ersten kommerziellen Verfahren mit ionischen Flüssigkeiten, sog. BASIL-Prozess (2002), wird eine organische Base (z.B. eine Imidazolium-Verbindung) zum „Abfangen“ einer bei einer Reaktion anfallenden Säure verwendet, wobei eine ionische Flüssigkeit entsteht. Diese zeigt mit dem bei der Reaktion entstehenden Wertstoff häufig eine große flüssig-flüssig Mischungslücke, wodurch sich die Aufarbeitung des Wertstoffes vereinfacht. Die Rückgewinnung dieser organischen Base aus der ionischen Flüssigkeit geschieht i.d.R. durch eine chemische Umsetzung mit einer starken, anorganischen Base in einer wässrigen Lösung und einer Extraktion in ein organisches Lösungsmittel. Dabei fallen wässrig/organische Lösungsmittel mit starken Elektrolyten an. Im Fokus des ersten Teils der Arbeit standen experimentelle Untersuchungen zum binären Phasengleichgewicht von Systemen aus einer Imidazolium-basierten ionischen Flüssigkeit und einem organischen Lösungsmittel. Die ionische Flüssigkeit 1-n-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophosphat, [bmim][PF6], wurde auf ihre Mischbarkeit mit sieben organischen Lösungsmitteln (Ethanol, bzw. 1-Propanol, bzw. 1-Butanol, bzw. Cyclohexan, bzw. Butylacetat, bzw. Toluol, bzw. Chloroform) mittels Trübungstitration bei verschiedenen Temperaturen geprüft. Wegen nicht ausreichender Genauigkeit der Trübungsmethode im Bereich geringer Löslichkeiten wurde für die Systeme aus ([bmim][PF6] + Alkohol) die organisch-reiche Seite der Binodalkurve mittels UV/Vis - Spektroskopie untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die gegenseitige Löslichkeit der ionischen Flüssigkeit 1-Methylimidazolium Hydrochlorid, HMIMCl, mit Butylacetat als Funktion der Temperatur, sowie binäre und ternäre Phasengleichgewichte in Systemen aus Wasser, 1-Propanol, 1-Methylimidazol und Natriumchlorid im Temperaturbereich zwischen 25 und 60 °C experimentell untersucht. Dazu wurden z.B. aus den im Phasengleichgewicht existierenden flüssigen Phasen Proben entnommen und mit verschiedenen Analysenmethoden (titrimetrischen Verfahren (pH-, Karl-Fischer-) und chromatographischen Verfahren (IC, GC)) die Zusammensetzung dieser Phasen bestimmt. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sollen die für die Entwicklung und Erprobung thermodynamischer Modelle zur Beschreibung solcher Phasengleichgewichte erforderliche Datenbasis erweitern.

Diese Arbeit untersucht Möglichkeiten der berührungslosen Vermessung von Durchmessern von Bohrungen in leitfähigen Materialien mit Hilfe des kapazitiven Messprinzips. Dazu wird ein Messkopf in die Bohrung eingeführt. Zwischen der Bohrungswand und Messelektroden auf dem Messkopf entstehen Kondensatoren, deren Kapazität mit einer Kapazitätsmessschaltung gemessen und daraus auf den Bohrungsdurchmesser zurückgerechnet wird. Es wurden dabei Ansätze mit Messköpfen mit einer oder mehreren Messelektroden verfolgt. Für Messköpfe mit einer Messelektrode wurden ein umfangreiches Fehlermodell und darauf basierend ein Kalibrierverfahren mit Fehlerkompensation erstellt.

Es gibt vielfache Ansätze, die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen zu verbessern, wobei in den meisten Fällen mit einer Erhöhung der quasistatischen Festigkeit eine Verringerung der Duktilität einhergeht. Bei ultrafeinkörnigen Werkstoffen ist diese Verringerung des Verformungsvermögens, aufgrund des dominierenden Verfestigungsmechanismus der Korngrenzenverfestigung, nicht zwangsläufig die Folge. Bei der Forschung mit Werkstoffen, die eine sehr kleine Korngröße aufweisen, stellt dieser Aspekt die Hauptmotivation dar. Im Rahmen der aktuellen Arbeit wurden mehrere ultrafeinkörnige Modifikationen des Vergütungsstahles C45 mikrostrukturell, mit Hilfe von Raster- sowie Transmissionselektronenmikroskopie, aber auch Nanoindentation charakterisiert. Es konnten verbreitet Korngrößen unter 1 µm festgestellt werden, was der Definition ultrafeinkörnig entspricht. Anschließend folgte eine Korrelation der zyklischen Eigenschaften, welche mittels 4-Punkt-Mikrobiegeversuchen untersucht wurden und der Mikrostruktur. Da die hochfesten Ausprägungen der ultrafeinkörnigen Modifikationen in großen Teilen Rissinitiierung an nichtmetallischen Einschlüssen zeigten, erfolgte eine bruchmechanische Betrachtung mittels Spannungsintensitätsfaktoren. Als Quintessenz der vorliegenden Arbeit steht ein Modell, welches die Ermüdungseigenschaften von ultrafeinkörnigen Werkstoffen zusammenfasst. Mehrere Eigenschaften, wie das Auftreten von innerer Rissinitiierung, sowie insgesamt die extrem hohen Härten und Ermüdungsfestigkeiten (vergleichbar mit bainitisiertem 100Cr6), wurden im Rahmen der Arbeit erstmals bei diesen Modifikationen nachgewiesen und gehörten zuvor nicht zum Stand der Technik.

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 vorliegenden Arbeit wurde das Potenzial neuer Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis von Duromeren mit hybrider und interpenetrierender Struktur und Kohlenstofffasern analysiert. Die Motivation bestand darin, neue, innovative Harze im Hinblick auf ihren Einsatz als Matrixsysteme für Flüssigimprägnierverfahren zum Herstellen kontinuierlich kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoffe zu untersuchen. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Ausbildung der Faser/Matrix-Grenzschicht und deren Einfluss auf das gesamte Eigenschaftsprofil der Verbunde. Als Matrixsysteme wurden ein Vinylester-Urethan-Hybridharz (VEUH), eine mit Flüssigkautschuk (ETBN) modifizierte Variante dieses Harzsystems und eine Verbindung zwischen Epoxid (EP) und Vinylester (VE) verwendet. Nach Charakterisierung der Reinharzsysteme und der Auswahl einer geeigneten Kohlenstofffaser wurden Laminate im Harzinjektionsverfahren sowie im Nasswickelverfahren gefertigt. Es hat sich gezeigt, dass konventionelle, mikromechanische Testmethoden zur Charakterisierung der Faser/Matrix-Grenzschicht unter Verwendung dieser Materialien nur bedingt anwendbar sind und die damit erzielten Ergebnisse nicht ausreichen, um Korrelationen mit den makromechanischen Kennwerten aufzustellen. Vielmehr erwiesen sich Faserbündeltests als eine gute Alternative, um wichtige Informationen in Bezug auf die Bildung und Charakterisierung der Grenzschicht zu erlangen. Beispielsweise reagierte der Querzugfaserbündeltest (QFT) äußerst sensibel auf Änderungen in der Grenzschicht und ist nicht zuletzt aufgrund der Berücksichtigung mesomechanischer Aspekte besser geeignet, um makromechanische Tendenzen widerzuspiegeln. Aus diesem Grund und weiterhin mit dem Verdacht auf erheblich hohe Eigenspannungen in den VEUH-Verbunden wurde ein Makro/Mikro-Modell erstellt und mit Hilfe der Finiten Elemente Methode analysiert. Die Ergebnisse gaben sowohl Aufschluss über die Entwicklung der thermischen Eigenspannungen, als auch über Ort und Höhe der wirkenden Spannungskomponenten. Ein wichtiges Resultat war, dass über 75% der relevanten Spannungskomponenten bereits bei der Abkühlung durch die induzierten thermischen Eigenspannungen entstehen. Weiterhin standen die Ergebnisse im Einklang mit experimentell ermittelten Daten und mikroskopisch beobachteten Ereignissen. So konnte gezeigt werden, dass die herrschenden Spannungszustände in guter Annäherung die auftretenden Versagensmechanismen beschreiben. Des Weiteren wurden mehrere neue Ansätze zur Ergebnisinterpretation verschienener Testmethoden verfolgt. Diese Vorgehensweisen lieferten ebenfalls Informationen über den Status der Faser/Matrix-Grenzschicht. Es wurde insbesondere bei den in dieser Arbeit untersuchten neuartigen Harzsystemen deutlich, dass bisher gewonnenes Fachwissen auf dem Gebiet der Faser/Matrix- Grenzfläche nicht zwingend auf neue Materialkombinationen übertragbar ist. Ferner verweisen die Ergebnisse auf die Ernsthaftigkeit der Grenzschichtproblematik in FKV, da deutlich herausgearbeitet wird, wie breit das Spektrum sein kann, über das sich der Einfluss der Faser/Matrix-Grenzschicht erstreckt.

Photokatalytische Reaktionen laufen vergleichsweise schnell ab, wenn der verwendete Katalysator im Reaktionsmedium dispergiert ist. Verwendet man, wie es in der Praxis häufig wünschenswert ist, immobilisierte Katalysatoren, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich ab. In Lichtwellenleiterreaktoren gelingt es, den Katalysator gleichmäßig zu bestrahlen und dadurch die Quantenausbeute der Photoreaktion zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Strahlungsmodell entwickelt, das die Abstrahlcharakteristik einer LED in Form eines Lambertstrahlers detaillierter abbildet, als es bisher der Fall war. Zudem wurde bei der Einkopplung der Lichtstrahlen in die optische Faser auch die Fresnel Reflektion berücksichtigt. Bei der Strahlungsauskopplung bzw. bei der Katalysatoranregung wurden ideal glatte Beschichtungen und ideal matte Beschichtungen als Grenzfälle approximiert. Verwendet man ideal matte Beschichtungen, kommt es zu schneller Auskopplung der Strahlen auf einem kurzen Abschnitt des Lichtleiters. Ein Teil der Strahlung geht dabei verloren. Ein anderer Teil kann nicht genutzt werden, da die gebildeten Radikale schnell rekombinieren. Durch Verringerung des Filmdiffusionswiderstandes können hier höhere Reaktionsgeschwindigkeiten erzielt werden. Verwendet man ideal glatte Beschichtungen geht kaum Strahlung verloren und man erhält niedrige Bestrahlungsstärken auf der Katalysatoroberfläche, sodass man sich der intrisischen Reaktionsgeschwindigkeit annähert.

Faser-Kunststoff-Verbunde erfahren aufgrund ihrer guten gewichtsspezifischen mechanischen Kennwerte eine zunehmende Verbreitung in verschiedensten Anwendungsfeldern. Eine Voraussetzung für die Ausnutzung der Leichtbaupotenziale bei gleichzeitiger Begrenzung der Herstellkosten ist jedoch eine werkstoffgerechte Lasteinleitung durch geeignete Verbindungsverfahren. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung eines Ansatzes zur Herstellung von Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbund durch eine getrennte Herstellung von teilausgehärteten Substrukturen mit anschließender Verbindung durch gemeinsame Vollaushärtung. Zur umfassenden Analyse der Prozessfenster und Potenziale werden zunächst am Beispiel eines faserverstärkten Werkstoffes auf Epoxidharzbasis die wichtigsten Zustands- und Eigenschaftsänderungen während der Vernetzung des Matrixharzes charakterisiert. Als Resultat dieser Analysen können die Entwicklung des Aushärtegrads bei verschiedener Temperaturführung im Aushärteprozess sowie die grundlegenden mechanischen Eigenschaften von Matrixwerkstoff und Verbund bei verschiedenen Aushärtegraden quantifiziert werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden anhand experimenteller Untersuchungen an durch gemeinsame Aushärtung hergestellten Laminaten die Verbindungseigenschaften in Abhängigkeit von unterschiedlichen Einflussfaktoren ermittelt. Für die zwei Prozessvarianten Autoklavprozess und Resin Transfer Molding (RTM) wird die Energiefreisetzungsrate unter Mode I-Belastung bei Variation des Aushärtegrads der zu verbindenden Laminate analysiert. Die Variation der Verbindungseigenschaften wird anhand von rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen der Bruchfläche erklärt. Weiterhin wird der Einfluss der Oberflächeneigenschaften durch Anwendung verschiedener Vorbehandlungen analysiert. Die Oberflächeneigenschaften Oberflächenspannung, Topografie und chemische Zusammensetzung werden gemessen und hinsichtlich ihrer Prognosefähigkeit für die Verbindungseigenschaften diskutiert. Zur Demonstration der Umsetzbarkeit der Herstellmethode auf Bauteilebene werden für den Einsatz im Luftfahrtbereich typische Details hergestellt und mechanisch geprüft. Die Eigenschaften der in der hier untersuchten Methodik hergestellten Details zeigen nur geringe Abweichungen im Vergleich zu denen der Referenzmethode.

This thesis treats the extension of the classical computational homogenization scheme towards the multi-scale computation of material quantities like the Eshelby stresses and material forces. To this end, microscopic body forces are considered in the scale-transition, which may emerge due to inhomogeneities in the material. Regarding the determination of material quantities based on the underlying microscopic structure different approaches are compared by means of their virtual work consistency. In analogy to the homogenization of spatial quantities, this consistency is discussed within Hill-Mandel type conditions.

Die Verbesserung der aerodynamischen Komponenten einer Gasturbine lässt nur noch wenig Spielraum zu einer Effizienzsteigerung offen. Eine Erhöhung der maximalen Temperatur des thermodynamischen Prozesses bietet weiteres Potential zur Leistungssteigerung. Diese Maßnahme führt zu Turbineneintrittstemperaturen, die eine thermische Belastung für die Turbinenkomponenten darstellt, welche auch durch moderne Werkstoffe nicht ertragen werden kann. Um einer thermische Ermüdung vorzubeugen kann eine Filmkühlung appliziert werden. Eine Filmkühlung hat zunächst eine Reduktion des thermischen Wirkungsgrades zur Folge. Der benötigte Luftmassenstrom muss daher minimiert werden. Um mit minimalem Luftmassenstrom eine ausreichende Kühlung zu erreichen, ist vor der Auslegung der Filmkühlung die Kenntnis des lokalen Wärmeübergangs in der Turbine notwendig. Dieser wird von der Strömung in der Turbine bestimmt. Insbesondere die entstehenden Wirbelstrukturen verursachen starke Temperaturfluktuationen über den Bauteiloberflächen. Hier ist an erster Stelle das Wirbelsystem im Eckbereich von Schaufeln und Seitenwänden zu nennen. Der Wärmeübergang kann hier um bis zu 300% gegenüber der ungestörten Anströmung erhöht sein. Weiterhin tritt das Wirbelsystem mit der vorhandenen Filmkühlung in Interaktion, was eine Reduzierung der Kühlleistung zur Folge hat. Die experimentelle Evaluierung der lokalen Kühlleistung, bemessen durch die Filmkühleffektivität, ist mit einem hohen Maß an Aufwand verbunden. Eine numerische Bestimmung der Filmkühleffektivität ist eine kostengünstige Alternative, bietet jedoch aufgrund der benötigten Modellierung der Turbulenz und der räumlichen und zeitlichen Diskretisierung zwei Fehlerquellen, deren Einfluss auf das Ergebnis einer Beurteilung bedarf. Mit Turbulenzmodellen niedrigen Modellierungsgrades ist eine Abbildung des instationären Wirbelsystems im Eckbereich in guter Übereinstimmung mit dem Experiment möglich. Diese erfordern ein hohes Maß an Ressourcen. Im Zuge der Notwendigkeit einer Ressourcenersparnis besteht der Wunsch das Wirbelsystem mit Modellen hohen Modellierungsgrades zu bestimmen. In dieser Arbeit wird daher herausgestellt, welchen Anspruch das Wirbelsystem tatsächlich an seine Modellierung stellt. Zu diesem Zweck werden nicht nur verschiedene Turbulenzmodelle variierenden Modellierungsgrades gegenübergestellt, sondern auch der notwendige räumliche und zeitliche Diskretisierungsgrad diskutiert. Die Strömungskonfiguration einer Filmkühlung im Eckbereich vor der Schaufelvorderkante kann als Superposition zweier Strömungskonfigurationen betrachtet werden. Diese sind das Ausblasen von Kühlluft aus einer diskreten Bohrung und die Entwicklung des Wirbelsystems im Eckbereich vor der Vorderkante aufgrund einer Grenzschichtströmung. Zunächst werden die Ansprüche der Einzelkonfigurationen an Turbulenzmodellierung und Diskretisierung geklärt. Anschließend wird die Superposition beider Fälle untersucht. Im Vergleich zeigt sich der Einfluss von Turbulenzmodellierung und Diskretisierung auf die Ergebnisse der Einzelkonfigurationen und weiterhin, ob diese Erkenntnisse auf die Bestimmung der Superposition angewendet werden können. Die Zielgröße der Berechnungen ist die lokale Filmkühleffektivität, beziehungsweise, im Fall der Untersuchung des Wirbelsystems ohne Filmkühlung, der lokale Wärmeübergang in die Seitenwand. Für die drei untersuchten Strömungskonfigurationen stehen experimentelle Daten zur Validierung zur Verfügung. Während das Ausblasen aus einer diskreten Bohrung mit einem RANS Modell, dem k-\epsilon Modell, gut abgebildet werden kann, ist die Entwicklung des Wirbelsystems im Eckbereich vor der Schaufelvorderkante und der damit einhergehende Wärmeübergang durch ein hybrides Modell, das DES Modell, gut repräsentiert. In Verbindung mit dem k-\epsilon Modell zeigt sich für die Untersuchung des Ausblasens eine grobe Diskretisierung bei stationärer Berechnung als förderlich für die Abbildung der experimentellen Filmkühleffektivität. Dies liegt in der vorhandenen numerischen Diffusion begründet. Die Wiedergabe vorhandener Wirbelstrukturen ist essentiell zur Prognose der Filmkühleffektivitätsverteilung und des Wärmeübergangs im Eckbereich vor der Vorderkante. Dies bedarf der Verwendung eines geeigneten Modells in Verbindung mit einer ausreichenden Diskretisierung. Daher zeigt sich hier das DES Modell als geeignet. Die Entwicklung der Filmkühleffektivität im Fall des Ausblasens von Kühlluft in ein bestehendes Wirbelsystem ist von den entstehenden Wirbelstrukturen bestimmt. Die Ergebnisse des DES Modells in Verbindung mit dem Netz größter Knotendichte weisen daher hier die beste Übereinstimmung mit dem Experiment auf.

In the last decade, injection molding of long-fiber reinforced thermoplastics (LFT) has been established as a low-cost, high volume technique for manufacturing parts with complex shape without any post-treatment [1–3]. Applications are mainly found in the automotive industry with a volume annually growing by 10% to 15% [4]. While first applications were based on polyamide (PA6 and PA6.6), the market share of glass fiber reinforced polypropylene (PP) is growing due to cost savings and ease of processing. With the use of polypropylene, different processing techniques such as gas-assisted injection molding [5] or injection compression molding [6] have emerged in addition to injection molding [7, 8]. In order to overcome or justify higher materials costs when compared to short fiber reinforced thermoplastics, the manufacturing techniques for LFT pellets with fiber length greater than 10mm have evolved starting from pultrusion by improving impregnation and throughput [9] or by direct addition of fiber strands in the mold [10–12]. The benefit of long glass fiber reinforcement either in PP or PA is mainly due to the enhanced resistance to fiber pull-out resulting in an increase in impact properties and strength [13–19], even at low temperature levels [20]. Creep and fatigue resistance are also substantially improved [21, 22]. The performance of fiber reinforced thermoplastics manufactured by injection molding strongly depends on the flow-induced microstructure which is driven by materials composition, processing conditions and part geometry. The anisotropic microstructure is characterized by fiber fraction and dispersion, fiber length and fiber orientation. Facing the complexity of this processing technique, simulation becomes a precious tool already in the concept phase for parts manufactured by injection molding. Process simulation supports decisions with respect to choice of concepts and materials. The part design is determined in terms of mold filling including location of gates, vents and weld lines. Tool design requires the determination of melt feeding, logistics and mold heating. Subsequently, performance including prediction of shrinkage and warpage as well as structural analysis is evaluated [23]. While simulation based on two-dimensional representation of three-dimensional part geometry has been extensively used during the last two decades, the complexity of the parts as well as the trend towards solid modelling in CAD and CAE demands the step towards three-dimensional process simulation. The scope of this work is the prediction of flow-induced microstructure during injection molding of long glass fiber reinforced polypropylene using threedimensional process simulation. Modelling of the injection molding process in three dimensions is supported experimentally by rheological characterization in both shear and extensional flow and by two- and three-dimensional evaluation of microstructure. In chapter 2 the fundamentals of rheometry and rheology are presented with respect to long fiber reinforced thermoplastics. The influence of parameters on microstructure is described and approaches for modelling the state of microstructure and its dynamics are discussed. Chapter 3 introduces a rheometric technique allowing for rheological characterization of polymer melts at processing conditions as encountered during manufacturing. Using this rheometer, both shear and extensional viscosity of long glass fiber reinforced polypropylene are measured with respect to composition of materials, processing conditions and geometry of the cavity. Chapter 4 contains the evaluation of microstructure of long glass fiber reinforced polypropylene in terms of two-dimensional fiber orientation and its dependence on materials parameters and processing condition. For the evaluation of three-dimensional microstructure, a technique based on x-ray tomography is introduced. In chapter 5, modelling of microstructural dynamics is addressed. One-way coupling of interactions between fluid and fibers is described macroscopically. The flow behavior of fibers in the vicinity of cavity walls is evaluated experimentally. From these observations, a model for treatment of fiber-wall interaction with respect to numerical simulation is proposed. Chapter 6 presents the application of three-dimensional simulation of the injection molding process. Mold filling simulation is performed using a commercial code while prediction of 3D fiber orientation is based on a proprietary module. The rheological and thermal properties derived in chapter 3 are tested by simulation of the experiments and comparison of predicted pressure and temperature profile versus recorded results. The performance of fiber orientation prediction is verified using analytical solutions of test examples from literature. The capability of three-dimensional simulation is demonstrated based on the simulation of mold filling and prediction of fiber orientation for an automotive part.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden sowohl neuartige polymere Hochleistungsverbundwerkstoffe als auch unterschiedliche Modellprüfmethoden zur Nachbildung abrasiver Verschleißbedingungen entwickelt. Ausgangspunkt für diese Themenstellung war, Verbundwerkstoffe als alternative Gleitlagermaterialien in hermetisch dichten Pumpen für aggressive und abrasive Medien einzusetzen. Stand der Technik sind hierbei keramische Gleitlager, insbesondere aus monolithischem Siliziumkarbid. Das Ziel war somit zu untersuchen, ob Polymerwerkstoffe derart modifiziert werden können, dass ein vergleichbares Verschleißverhalten erreicht wird. Auf der Basis von Epoxidharz wurde die elementare Werkstoffentwicklung, durch Variation von Füll- und Verstärkungsstoffe, hinsichtlich Art, Größe und Menge, durchgeführt. Die Formulierung mit den in Summe günstigsten Eigenschaften wurde anschließend auf einen weiteren Duroplasten (Vinylester) und einen Thermoplasten (Etylentetrafluorethylen) übertragen. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das Verschleißverhalten bei hochgefüllten Systemen maßgeblich von den Füll- und Verstärkungsstoffen geprägt wird und durch die Übertragung der Formulierung ähnliche Verschleißraten erzielt werden. Weiterhin wurde der Einfluss der Aushärtungstemperatur, und somit des Herstellungsprozesses, auf die Werkstoffeigenschaften dargestellt. Durch eine weiterführende Werkstoffmodifikation, den Einsatz multimodaler Korngrößenverteilungen, war es zudem möglich die tribologischen Eigenschaften nochmals zu verbessern. Der Vergleich der Werkstoffeigenschaften erfolgte mittels mechanischer und tribologischer Prüfungen. Letztere waren jedoch nur bedingt anwendbar, um einen Vergleich zwischen den neu entwickelten Hochleistungsverbundwerkstoffen und dem Referenzwerkstoff Siliziumkarbid zu ermöglichen. Aus diesem Grunde wurde ein spezieller Medienprüfstand konstruiert und aufgebaut, um verschiedenste abrasive Prüfbedingungen, ob geschmiert oder ungeschmiert, simulieren zu können. Mit Hilfe abrasiver Gegenkörper war es möglich die Testzeit von 20 Stunden auf 60 Sekunden zu verkürzen. Die anschließende Validierung der Ergebnisse ergab eine gute Übereinstimmung. Zur Ableitung allgemein gültiger Aussagen wurden die Ergebnisse anhand dreier Verschleißmodelle für abrasive Bedingungen (Archard, Budinski, Ratner et al) überprüft. Dabei erwies sich jedoch keines der Modell als passend, um alle experimentellen Werte abbilden zu können. Dennoch lies sich erkennen, dass das Deformationsverhalten bei abrasiven Verschleißvorgängen eine bedeutende Rolle spielt. Deshalb wurde das Deformationsverhalten von drei exemplarischen Verbundwerkstoffen bei einer dynamischen Mikrohärteprüfung mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) simuliert. Es zeigte sich, dass zum einen die Berechnungen und die experimentellen Ergebnisse sehr gut übereinstimmen. Zum anderen sind die entwickelten FEM Modelle sehr gut geeignet, um das Verschleißverhalten zu erklären.