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Item Open Access Fatigue of Al thin films at ultra high frequencies(2005) Eberl, Christoph; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)Ultra high-cycle fatigue at frequencies in the GHz regime leads to a characteristic void and extrusion formation in patterned metal thin films. Resulting from the microstructural damage formation a significant degradation in form of a shift of the resonance frequency and failures by short circuits in Surface Acoustic Wave (SAW) test devices take place. To study fatigue at ultra high cycles, SAW test devices were used to test continuous and patterned Al thin films at ultra high frequencies. For stress amplitudes as low as 14 MPa lifetime measurements showed no fatigue limit for 400 nm Al thin films. The resulting damage sites appeared in regions of cyclic stress concentration as identified by Finite Element Analysis. In situ measurements revealed that the characteristic extrusion/void formation mechanism operates on a short time scale. The post-test analysis of microstructural changes reveals extrusion and void formation concentrated at grain boundaries. This finding and the observed grain growth indicates a high material flux at the grain boundaries induced by the cyclic load. Quantitative analysis also shows a correlation between extrusion density and electrical devices performance. This direct correlation shows a functional agreement with a common theory on the influence of crack density on intrinsic stresses in thin metal films. Advanced Finite Element (FEM) calculations simulate very well the sensitivity of the resonance frequency to damage structure in interconnects such as cracks, voids and extrusions. The experimentally observed linear correlation between damage density and frequency shift is reproduced by the FEM model. The estimation of the short circuit probability from the extrusion length distribution revealed an exponential dependency on the electrode distance. The observed damage formation is explained by the combined action of dislocation motion and stress-induced diffusion processes.Item Open Access Herstellung, Charakterisierung und Weiterverarbeitung von Carbon Nanotube Dispersionen(2013) Moller, Björn P.; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat)Ziel dieser Arbeit ist es, das Dispergierverhalten von Carbon Nanotubes systematisch zu untersuchen, und die Einflussgrößen zur Herstellung optimierter sowohl wässriger als auch lösemittelbasierter Dispersionen zu bewerten. Aus diesen Dispersionen wurden dann sowohl reine CNT-Membranen als auch Polymer-Komposit-Membranen entwickelt und charakterisiert. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in sechs Hauptkapitel. Nach einer Einführung, die die Moti-vation und Zielsetzung der Arbeit darlegt, werden in Kapitel 2 die zum Verständnis notwendigen theoretischen Grundlagen und in Kapitel 3 der aktuelle Stand der Wissenschaft dargestellt. Kapitel 4 beschreibt die in dieser Arbeit verwendeten Materialien und Methoden. Hierbei werden neben den unterschiedlichen Carbon Nanotubes und den physikalischen Prinzipien der ver-wendeten Messmethoden auch die einzelnen Verfahrenschritte zur Herstellung von CNT-Sheets sowie CNT-Polymer-Komposit Flachmembranen erläutert. Die in Kapitel 5 vorgestellten Ergebnisse gliedern sich in drei wesentliche Aspekte. Erstens die Herstellung von CNT-Dispersionen und die Bewertung der Einflussgrößen. Hierbei zeigt sich bei der Untersuchung unterschiedlicher Dispergiermethoden wie Hochdruckdispergierung, Ultra-Turrax oder Kugelmühle, dass nur die Ultraschalldispergierung in der Lage ist, die Kräfte aufzubringen, die für das Aufbrechen von CNT-Agglomeraten sowie zur homogene Verteilung isolierter Nanotubes notwendig sind. Beim Vergleich unterschiedlicher Lösemittel wurde die Dispergierfähigkeit in herkömmlichen Lösemitteln wie Ethanol, Aceton oder Dimethylformamid (DMF) mit weiteren Lösemitteln wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und ionischen Flüssigkeiten verglichen. Es zeigt sich, dass neben NMP und NEP (N-Ethyl-2-pyrrolidon) auch Pyrrolidon und Pyridin gute CNT-Dispersionen ergeben. Grund hierfür ist möglicherweise die Ähnlichkeit der chemische Struktur der Stoffe. So weisen NEP, NMP und Pyrrolidon einen Ring aus vier Koh-lenstoff und einem Stickstoffatom auf, im Fall von Pyridin handelt es sich um einen Benzolring, bei dem ein Stickstoffatom ein Kohlenstoffatom subsituiert. Untersuchungen zum Einfluss der Oberflächenenergie konnten die in der Literatur postulierte These bestätigen, dass sich CNTs besser dispergieren lassen, je ähnlicher sich die Oberflä-chenenergien von CNT und Lösemittel sind. Eine Annäherung der Oberflächenenergie von CNTs an die Oberflächenenergie des Lösemittels wurde mittels Plasmamodifkation durchgeführt, und somit eine verbesserte Dispergierbarkeit erreicht. Als zweiter Aspekt wurde die Einsatzmöglichkeit von reinen CNT-Sheets (Bucky Papern) als Membran untersucht. Hierzu wurden drei Ansätze verfolgt: Schaltbare Membranen, Adsorpti-onsmembranen und heizbare Membranen. Während im Fall der Adsorptionsmembranen sowie der heizbaren Membranen die grundsätzliche Machbarkeit gezeigt werden konnte, muss der Einsatz von CNT-Sheets als schaltbare Membranen als nicht realisierbar angesehen werden. In keiner Messung konnte ein Einfluss eines elektrischen Feldes auf die Filtrationseigenschaften nachgewiesen werden. Der dritte Aspekt setzt den Schwerpunkt auf die Herstellung und Charakterisierung von CNT-Polymer-Kompositen für den Einsatz als Flachmembranen. Die Erkenntnisse der Dispergierversuche wurden genutzt, um aus optimierten CNT-Dispersionen Polymer-Komposite in Form von Polysulfon-Flachmembranen herzustellen. Optische Messungen zeigten, dass auch bei einer optimalen Vereinzelung und homogenen Verteilung von CNTs, ein Füllgrad von 1 Gew.-% ausreicht, um ein Absenken der Transmission von 80% auf 50% zu bewirken. Durch geeignete Wahl der Dispergierparameter konnte jedoch eine elektrische Leitfähigkeit von bis zu 1 S/m erreicht werden. Die hergestellten Membranen zeigen vielversprechende erste Ergebnisse, z.B. in ihren Seperationseigenschaften. Ein systematischer Zusammenhang zwischen Füllgrad und Membraneigenschaften, wie elektrischer Leitfähigkeit oder mittlerem Porendurchmesser, konnte jedoch noch nicht experimentell bestätigt werden. Kapitel 6 schließt diese Arbeit mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick ab. Dank der durchgeführten Experimente sowie der gewonnenen Erkenntnisse und Schlussfolgerungen können in Zukunft optimierte CNT-Dispersionen aus unterschiedlichem MWCNT-Rohmaterial hergestellt werden. Es ist dadurch möglich, Polymer-Komposite herzustellen, die eine homogene Verteilung vereinzelter CNTs zeigen und somit bereits bei geringen Füllgraden signifikante Veränderungen in physikalischen Eigenschaften wie z.B. der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Eine Optimierung sollte jedoch auf das Polymersystem angepasst werden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse können genutzt werden, um den „bottleneck“ der schlechten Dispergierbarkeit von Carbon Nanotubes teilweise zu beseitigen. Dies ist ein wichtiger Schritt, um in Zukunft die Eigenschaften dieses außergewöhnlichen Materials in industriellem Maßstab nutzen zu können.Item Open Access Ein Architekturmodell für Portale im Technischen Vertrieb(2006) Gurzki, Thorsten; Spath, Dieter (Prof. Dr.-Ing.)Die Dissertation befasst sich mit den Themenbereichen Technischer Vertrieb und Architekturen für Portale. Im Rahmen der Arbeit wird ein integratives Architekturmodell für Portale entwickelt, welches unter Berücksichtigung von Neu- und Bestandssystemen die Prozesse des Technischen Vertriebs abbildet. Hintergrund ist die zunehmende Notwendigkeit für Unternehmen, die sich mit dem Vertrieb technischer Produkte befassen, eine herausragende Position in Käufermärkten zu erreichen. Hierfür ist die Kundenbindung und Kundenansprache durch individuell an die Bedürfnisse der Kunden angepasste Prozesse zu intensivieren. Gleichzeitig besteht die Erfordernis die Effizienz in Bezug auf Zeit und Kosten im Vertrieb zu optimieren. Portale bieten eine technische Lösung für die Bereitstellung einer homogenen Benutzungsoberfläche mit dem Zugriff auf integrierte und personalisierte Prozesse. Die Integration von Prozessen in einem Portal erfordert eine umfassende Architektur, die auch die Einbindung der betrieblichen Informationssysteminfrastruktur beschreibt. Davon ausgehend identifiziert die Arbeit zunächst die grundlegenden Portaleigenschaften. Parallel hierzu werden die Leistungen und die Organisation des Technischen Vertriebs untersucht. Die Untersuchung aus Sicht des Software-Engineerings umfasst Softwarearchitekturen für die Erstellung webbasierter Anwendungen, wie z. B. eingebettete Skriptsprachen und die Plattform¬konzepte Java und .NET, Integrationsarchitekturen, Portalsoftware und Architekturmodelle für Portale. Ziel der Betrachtung ist eine Bewertung der Ansätze auf ihren Beitrag zu einer Architektur für Portale im Technischen Vertrieb. Es wird in den Betrachtungen das Fehlen eines vollständig ausgeprägten Architekturmodells festgestellt. Weitere Defizite stellen die mangelnde Definition funk¬tionaler Anforderungen an die Anwendungen des Technischen Vertriebs im Kontext von Portalen und die ungenügende softwaretechnische Strukturierung von Portalen dar. Auf Basis der identifizierten Defizite werden Kriterien für die spätere Bewertung des Architekturmodells erarbeitet. Grundlage des Architekturmodells für Portale im Technischen Vertrieb ist die portalspezifische Erweiterung eines allgemeinen Architekturmodells. Hierfür wird die ganzheitliche Informationssystemarchitektur (ISA) herangezogen, die die Bestandteile Strategie, Aufbauorganisations-, Prozess-, Anwendungs-, Daten- und Kommunikationsarchitektur sowie Infrastruktur umfasst. Die Teilmodelle Strategie und Aufbauorganisation werden im Rahmen der Arbeit durch die Vorgabe des Anwendungsfalls Technischer Vertrieb als gegeben vorausgesetzt. Die Prozessarchitektur umfasst eine Portalprozesslandkarte, die die im Portal abzubildenden kundennahen Prozesse darstellt. Die Anwendungsarchitektur beschreibt den Aufbau des Portals. Hierfür wird ein portalspezifisches 3-Schicht-Modell mit den Schichten Portalanwendungskomponenten, Portalsystem¬komponenten und Betriebliche Informationskomponenten abgeleitet. Es unterstützt Software¬komponenten im Sinne eines Komponentenmodells und eigenständige Systeme, die wiederum selbst nach beliebigen Schichtenmodellen aufgebaut sein können. Die Datenarchitektur stellt die Stamm- und Bewegungsdaten, die während der Laufzeit der Komponenten verwendet werden, in einer statischen Sicht in acht Grunddatenmodellen dar. Im Rahmen der Infrastrukturarchitektur werden die für den Betrieb des Portals notwendigen Funktionen beschrieben. Hierzu gehören insbesondere die Suche, das Authentifizierungs- und Rollenmodell, Single Sign On und das Personalisierungs- und Individualisierungsmodell. Enthalten ist ein Modell für die Abbildung der abstrakten Komponenten auf reale Systeme. Für die Kommunikationsarchitektur werden ein Schnittstellen- und Datenformatmodell entwickelt. Die Integration der einzelnen Komponenten wird mittels speziell auf die Anwendung in Portalen abgestimmten Integrationsmustern beschrieben. Diese Teilsicht des Modells beinhaltet eine Beschreibung von Adaptions- und Transformationsmethoden für Daten. Den Abschluss des Architekturmodells bildet eine in UML beschriebene Methodik für die Anwendung des Modells. Die Arbeit beinhaltet drei Einsatzfälle des Architekturmodells. Die abschließende Bewertung des praktischen Einsatzes zeigt, dass das Architekturmodell für Portale im Technischen Vertrieb den gestellten Anforderungen gerecht wird und einen geeigneten Ansatz für ein Architekturmodell darstellt.Item Open Access Modellbasierte Berechnung der Systemeigenschaften von Maschinenstrukturen auf der Steuerung(2012) Sekler, Peter; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing.)Heutige Entwicklungen in der Maschinentechnik zielen mit zunehmenden Maß darauf ab auch Leichtbautechniken einzusetzen. Dies stellt aber die Maschinenentwickler häufig vor die Problemstellung der verringerten Steifigkeit und Dämpfung der Maschinen durch Verringerung der Masse. Aus Sicht der Steuerungstechnik existieren unterschiedliche Möglichkeiten auftretende Schwingungen der nachgiebigen Maschinenstrukturen zu vermeiden. Einige Schwingungsvermeidungsalgorithmen sind in gängigen industriell eingesetzten NC-Steuerungen integriert. Allerdings benötigen, die Methoden zur Parametrierung die aktuellen Resonanzfrequenzen der Maschine, die je nach Position und Orientierung der Maschinenachsen unterschiedlich ausfallen. Resonanzfrequenzen von Maschinenstrukturen können über die experimentelle modale Analyse oder durch Simulationsmodelle vorab bestimmt werden und der Steuerung als Tabellen zur Verfügung gestellt werden. Die realen, momentanen Resonanzfrequenzen können bei Anregung alternativ auch mit Sensoren, welche in die Maschine integriert sind, ermittelt und berechnet werden. Demgegenüber steht die Performance der Steuerungshardware, die heutzutage hoch genug ist um Resonanzfrequenzen aus Simulationsmodellen auch online auf der Steuerung zu identifizieren. Der Vorteil dieser Methode liegt vor allem darin, dass teure Sensorik und aufwändige Messvorgänge vermieden werden. In der Arbeit wird aus diesen Gründe eine Methodik untersucht, die eine Online-Identifikation von Resonanzfrequenzen anhand von Simulationsmodellen erlaubt. Diese Methode soll neue Möglichkeiten bieten, um bestehende Schwingungsvermeidungsalgorithmen mit Informationen zu versorgen, wodurch eine Verbesserung der Genauigkeit der Maschinen angestrebt wird. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der schnellen Berechnung von Maschineneigenschaften, welche auf Genauigkeit und Effizienz hin untersucht werden und für die Schwingungsvermeidung verwendet werden.Item Open Access Konzeption einer funktional einheitlichen Applikationsschnittstelle für Ethernet-basierte Bussysteme(2011) Lechler, Armin; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Die Wandlungsfähigkeit der Produktionstechnik hat neben maschinenbaulichen und organisatorischen Veränderungen insbesondere Auswirkungen auf die Systemarchitektur von Maschinen und Anlagen. Aktuelle Systemarchitekturen zeichnen sich durch Dezentralisierung und vernetzte mechatronische Module aus. Der Trend in der Automatisierungstechnik zur Dezentralisierung und zu mechatronischen Systemen führt zu einem erhöhten Kommunikationsaufwand innerhalb solcher Systemarchitekturen. Der Zugriff auf die Kommunikationssysteme aus der Applikation heraus unterscheidet sich grundlegend zwischen den einzelnen existierenden Bussystemen. Dies führt dazu, dass busspezifische Informationen in den Applikationen selbst enthalten sind. Applikation sind dadurch vom verwendeten Kommunikationssystem abhängig und können nicht ohne aufwändige Anpassung über ein anderes Bussystem kommunizieren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es Automatisierungssysteme und insbesondere Anwendungsprogramme sowie Applikationen zu schaffen, die unabhängig von der eingesetzten Kommunikationstechnik sind. Dazu wird die Konzeption einer funktional einheitlichen Applikationsschnittstelle für Ethernet-basierte Bussysteme betrachtet. Es wird mit Hilfe der Objektorientierten Analyse eine geeignete Sichtweise in Form einer Schnittstelle für industrielle Kommunikationssysteme abgeleitet. Dazu werden die in der Produktionstechnik relevanten Ethernet-basierten Bussysteme und deren zugehörige Applikationsprofile betrachtet. Es wird zunächst durch Abstraktion eine Struktur definiert anhand derer die einzelnen Systeme durch Spezialisierung verglichen und daraus eine einheitliche Applikationsschnittstelle abgeleitet werden kann.Item Open Access Automatisierte Erstellung von Maschinenmodellen für die Hardware-in-the-Loop-Simulation von Montagemaschinen(2012) Kufner, Annika; Klemm, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Diese Arbeit befasst sich mit der automatisierten Erstellung von Maschinenmodellen für die Hardware-in-the-Loop-Simulation von Montagemaschinen. Die Erstellung erfolgt auf Basis bereits vorhandener Engineeringdokumente. Somit kann der Aufwand für die Hardware-in-the-Loop-Simulation signifikant reduziert werden.Item Open Access Numerical simulations of soot formation in turbulent flows(2008) Di Domenico, Massimiliano; Gerlinger, Peter (PD Dr.-Ing.)This work deals with the simulation of soot formation phenomena under gasturbine-like conditions. Main goal is the development of a reliable CFD simulation tool able to predict trends of soot formation under different operating conditions. A detailed, finite-rate chemistry combustion model is presented and validated. Since soot particles are the result of thousands of reactions involving hundreds of species, an efficient, new sectional approach for soot precursors and related reactions is chosen in this work. Effects of turbulent fluctuations in temperature and species concentration on the chemical reaction rate are included by employing an assumed Probability Density Function approach. Finally, the simulation of a semi-technical scale burner under gasturbine-like conditions will demonstrate the validity of the developed tools. Although discrepancies with experimental soot particle distributions are observed, numerical simulations are able to reproduce the pressure dependence of the peak soot volume fraction quite well.Item Open Access Entwicklung eines semidezentralen Verfahrens für kommunales Abwassermanagement und Erprobung in der großtechnischen Anwendung(2009) Zech, Tosca; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Das entwickelte semidezentrale Verfahren für kommunales Abwassermanagement wurde konzipiert, um die ökologischen Vorteile dezentraler Systeme mit den ökonomischen und technischen Vorteilen zentraler Systeme zu verbinden. Ein Schwerpunkt lag in der Auslegung, Planung, Bauüberwachung und Inbetriebnahme der semidezentralen Membrankläranlage Heidelberg-Neurott (MKA01) zur Demonstration des Verfahrens in einer entlegenen Bauernsiedlung. Die wissenschaftliche Untersuchung der hydraulischen und stofflichen Vorgänge auf der MKA01 zeigte, dass die Konzentration für CSB und Phosphor den erwarteten Werten entspricht, während die Konzentration für Gesamtstickstoff ca. 30 % darüber liegt. Die biologische Abwasserreinigung produziert ganzjährig sehr gute Ablaufwerte mit sehr hohen Eliminationsraten und erfüllt die Anforderungen der Größenklasse 5. Die Leistung der Rotationsscheibenfilter der MKA01 wurde über mehr als zwei Jahre analysiert. Hierbei konnten sehr hohe Ausbeuten bei sehr langen Standzeiten zwischen den chemischen Reinigungen beobachtet werden. Das Ziel, die technische Machbarkeit von semidezentralen Abwasserreinigungsanlagen zu demonstrieren, ist gelungen. Sehr gut erreichbar sind exzellente Ablaufwerte, niedriger Betreuungsaufwand und gute Überwachung der Abwasserqualität sowie eine bedingte Kosteneffizienz. Es sind damit die technischen Voraussetzungen für eine nachhaltige Abwasserinfrastruktur als Alternative zum herkömmlichen Wassersystem geschaffen worden.Item Open Access Sulfonated poly(ether ether ketone) based membranes for direct ethanol fuel cells(2010) Roelofs, Kimball Sebastiaan; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)The decreasing availability of fossil fuels and the increasing impact of greenhouse gases on the environment lead to an extensive development of more efficient or renewable energy sources. The direct alcohol fuel cell (DAFC) as a portable energy source is a promising and fast growing technology which meets these demands. Up to now, methanol is mostly studied as a fuel for these devices, however, applying ethanol has some evident advantages over methanol. The major challenges in direct ethanol fuel cell (DEFC) research on component level are the catalyst development and the electrolyte membrane development. The focus of this thesis lies on the development and characterization of proton conductive membranes for application in direct ethanol fuel cells (DEFC). Sulfonated poly(ether ether ketone) (sPEEK) based organic-inorganic mixed-matrix membranes are developed and, in addition, the inorganic phase is modified with functional silanes carrying basic groups. The membranes are characterized with respect to fuel crossover, proton conductivity, membrane stability and direct ethanol fuel cell tests.Item Open Access Force control of cable-driven parallel robots(2016) Kraus, Werner; Pott, Andreas (Junior-Prof. Dr.-Ing.)In this thesis, a relatively new class of robots which use cables instead of rigid links is investigated. As cable can transmit only pull forces, cable robots make high demands on the control. The cable robots investigated in this thesis have more cables than degrees-offreedom of the platform and, thus, belong to the class of redundant robots. The redundancy allows to tense the cables agairrst each other. A control approach for synchronaus control of the platform position and the cable forces is proposed. For this purpose, system identifications for dynamic models of the robot are carried out and the forward kinematics is expanded to deal with non-linear cable stiffness. The proposed approach for calculation of the desired cable forces allows for step-less adjustment of the internal tensions. The investigations show that with change of the internal tension the eigenfrequencies of the robot can be influenced by 15-30%. By choice of a minimal tension Ievel, the energy consumption of the robot can be decreased by up to 20% while the performance of the robot remains on the same Ievel. For the proposed control scheme, extensive investigations of the positional accuracy are carried out. As reference approach, the control assuming a rigid robot model without closed-loop control of the operational space position and cable forces is used. The two approaches delivered comparable results in the workspace centre. The position accuracy with a payload of 80 kg amounted to roughly 70 mm and 2.5°. Using the proposed controller at the workspace border, almost the same accuracy could be reached as weil, as the cables are kept under tension. For rnachining processes like grinding, the well-known hybrid position and force control approach is incorporated on a cable robot. With the control approach, the robot can apply a contact force in a programmable direction, while the platform can be position-controlled in the Iasting directions. For the human robot cooperation, an admittance controller is proposed. The platform simulates a virtual spring-mass-damper system which enables for the implementation of a virtual workspace. With the demonstrator, a bandwidth of 13Hz is reached.