Universität Stuttgart
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Item Open Access Neuartige Versuchsmethodik zur verbesserten Modellierung der Reibung in der Blechumformung(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2019) Singer, Markus Ruben; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Die numerische Abbildung von Tiefziehprozessen benötigt eine Vielzahl von Eingangsparametern, deren Qualität sich direkt in der Abbildegenauigkeit des Prozesses widerspiegelt. Diverse Einflussfaktoren, wie etwa das Fließverhalten des Platinenwerkstoffes, wurden dabei bisher genau untersucht und sind heute in vielen Fällen gut verstanden. Die relativ exakte Beschreibung der im Prozess auftretenden Reibungsmechanismen zwischen Platine und Werkzeug bildet bei den Blechumformverfahren Tief- und Streckziehen hingegen eine Ausnahme. Das Reibungsverhalten bestimmt die Rückhaltung des Ziehflanscheinlaufes in die Zarge sowie welche Prozesskräfte, beeinflusst durch die örtlich unterschiedlichen Blechdickenreduktionen, übertragen werden können. Bei einer unzureichenden Kenntnis dieser Prozessgröße kann der Umformprozess nur unter Verwendung eines Sicherheitsfaktors numerisch ausgelegt werden. Hierbei kann allerdings nicht das gesamte Umformpotential des Prozesses in Kombination mit dem Platinenwerkstoff ausgenutzt werden. Durch die eingeschränkte Zugänglichkeit zur experimentellen Messwertaufnahme muss aktuell auf stark abstrahierte Modellversuche zur Bestimmung des Reibungsverhaltens zwischen Umformwerkzeug und Platine zurückgegriffen werden. Dabei können die komplexen Wechselwirkungen im tribologischen System zwischen Platinen- und Werkzeugoberfläche nicht abgebildet und eingehend untersucht werden. Auch hochentwickelte, numerische Abbildungsmodelle beziehen sich dabei auf Messwerte aus einfachen experimentellen Versuchsaufbauten. Die auftretenden Wechselwirkungen können dabei heute zwar relativ gut invers modelliert, jedoch nicht im realen experimentellen Aufbau gemessen werden. Diese Forschungslücke führt dazu, dass der Reibungszahl in Blechumformsimulationen, trotz ihrer deutlichen Auswirkung auf das Berechnungsergebnis, eine untergeordnete Gewichtung zukommt. Häufig werden lediglich globale, sich nicht verändernde Reibungszahlen im FE-Modell nach Coulomb verwendet. Diese unzureichende Beschreibung führt zu einer ungenauen numerischen Berechnung des Tiefziehprozesses. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur Bestimmung der Reibungszahlen vorgestellt und auf Basis der so ermittelten, kontinuierlich aufgenommenen Reibungszahlverläufe ein Reibungsmodell für ein erweitertes Verständnis des tribologischen Systems für das Tiefziehen entwickelt. Im Hauptteil der Arbeit werden zunächst die grundsätzlichen Einflussfaktoren auf das tribologische System mittels Streifenziehversuchen ermittelt und deren Auswirkung auf die Reibungszahl bewertet. Im weiteren Verlauf erfolgt die Integration von Miniatur-Längsmessdübeln in das Umformwerkzeug, welche die elastische Deformation der Werkzeugstruktur aufzeichnen. Darüber können die auf die Platine wirkenden Rückhaltekräfte gemessen werden. Die Messwertaufnahme ist hierbei kontinuierlich über den gesamten Tiefziehprozess sowie ohne Eingriff in die Kontaktfläche zwischen Umformwerkzeug und Platine möglich. Die Positionierung der Sensoren erfolgt nach einer Unterteilung der Werkzeugaktivflächen auf Basis des örtlich vorherrschenden Spannungszustandes in Anlehnung an die Gleitlinientheorie in acht unterschiedliche Sektoren. Aufbauend auf den im Prozess gemessenen Reibungszahlen können für die definierten geometrischen Werkzeugsektoren mathematische Funktionen der Reibungszahlverläufe über den jeweiligen Ziehweg bestimmt werden. Dazu werden die jeweiligen Funktionsbeschreibungen in Abhängigkeit von den zuvor ermittelten Einflussfaktoren wie Flächenpressung, Ziehgeschwindigkeit und Temperatur approximiert. Durch die Integration dieser Reibungszahlen in ein Simulationsmodell ist es anschließend möglich, die Güte der numerischen Abbildegenauigkeit des Prozesses zu bewerten und mit konventionellen numerischen Berechnungen mit konstanten Reibungszahlen zu vergleichen. Des Weiteren kann gezeigt werden, dass der Übertrag der an der einfachen Ziehteilgeometrie „Rechtecknapf“ ermittelten Reibungszahlverläufe auf eine komplexere Ziehteilgeometrie möglich ist und sich dabei die Abbildegenauigkeit der Simulationsrechnungen verbessert. Die vorliegende Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der durchgeführten Forschungsarbeiten ab. Somit wird ein wissenschaftlicher Beitrag zum verbesserten Verständnis der Wirkzusammenhänge des Reibungsverhaltens im Blechumformprozess geleistet sowie weitere zukünftige Potenziale aufgezeigt. Es kann gezeigt werden, dass die numerische Abbildegenauigkeit von Blechumformprozessen steigt, wenn sich über den Stößelweg verändernde Reibungszahlen in den Modellaufbau integriert werden. Dazu wurde in dieser Arbeit eine neuartige Methode zur Bestimmung der real im Prozess auftretenden Reibungszahlen entwickelt. Die Wechselwirkungen der signifikanten Einflussfaktoren auf die Reibungszahlen im Blechumformprozess werden in einem, auf Basis der Gleitlinientheorie, in verschiedene Sektoren unterteilten Tiefziehwerkzeug bestimmt. Die Bestimmung von mathematischen Funktionen des ziehtiefenabhängigen Reibungsverhaltens ermöglicht den Übertrag der experimentell ermittelten und numerisch abgebildeten Reibungszahlen aus einer einfachen Versuchsgeometrie auf ein komplexes, realitätsnahes Tiefziehbauteil.Item Open Access Faserverbundwerkstoffe im Automobilbau: methodischer Ansatz zur Analyse von Schäden(2012) Schmidt, Alexandra Priska; Drechsler, Klaus (Prof. Dr.-Ing.)Schadensanalyse beinhaltet die Beurteilung geschädigter Bauteile von der Schadenserkennung bis zur Entscheidung über Tolerierbarkeit, Reparatur oder Austausch. Es gibt derzeit keine allgemeine Bewertungsgrundlage, um die zulässige Schadensgröße für Bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) an Fahrzeugen im praktischen Einsatz zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit liefert einen methodischen Ansatz zur Entscheidungsfindung. Die Arbeit befasst sich mit Schäden, die nachträglich in die Fahrzeugstruktur eingebracht werden. Dies kann etwa durch Fehlgebrauch, Unfälle oder Steinschläge geschehen. Fertigungsfehler werden nicht berücksichtigt. In einem Versuchsprogramm wurde die Restfestigkeit von vorgeschädigten CFK Rohren mit unterschiedlichem Lagenaufbau unter Druckbelastung ermittelt. Realitätsgetreue Impacts werden zunächst durch einfache Bohrungen sowie Längs- und Quernuten auf akademische Weise angenähert und die Ergebnisse mit ungeschädigten Proben verglichen. Der Einfluss der Faserorientierung sowohl auf die Schadensausbreitung bei Impactschäden als auch auf die Restfestigkeit wird betrachtet. Deutliche Zusammenhänge zwischen Schadensgröße und Bruchlast konnten ermittelt und analytisch beschrieben werden. Dadurch ist eine Vorhersage der Restfestigkeit bei weiteren Schadensgrößen möglich. Zur potenziellen Reduktion der Versuchsumfänge wird die Möglichkeit der Computersimulation geprüft. Es wird deutlich, dass Simulationsmodelle die umfangreiche empirische Datenbasis derzeit nicht vollständig ersetzen können. Anhand des seitlichen Dachrahmens eines Automobils wird gezeigt, nach welchen Kriterien die Entscheidung über kritische oder unkritische Schäden erfolgt. Dazu wird der Standardlastfall des Dacheindrücktests verwendet. Die Ergebnisse der Versuche dienen als Bewertungsgrundlage. Ein 7-Punkte-Plan fasst die entwickelte Methodik zusammen und dient als Grundlage für die Analyse. Das exemplarisch durchgeführte Vorgehen kann auf beliebige Geometrien und weitere Lastfälle übertragen werden. Die Erkenntnisse dieser Arbeit können bereits in der Entwicklungsphase eines Automobils als Entscheidungsgrundlage dienen. Unter Berücksichtigung eines geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahrens zur Detektion der Schädigungen eignet sich die vorgestellte Methodik auch zum Einsatz im automobilen Kundenservice. Es wurden verschiedene Methoden miteinander verglichen. Neben Ultraschall und Computertomographie bietet sich die Optische Lock-In Thermographie für den praktischen Einsatz an.Item Open Access Identifizierung neuer Proteine des Polyphosphat Granulumkomplexes von Ralstonia eutropha H16(2017) Tumlirsch, Tony; Jendrossek, Dieter (Prof. Dr.)Item Open Access Aktiv klicken = Aktiv lernen? : Konzeption und Evaluation eines fallbasierten Lernsystems zur Interventionsplanung (FLIP) im Kontext Gesundheitsverhalten(2014) Nachbar, Katrin; Schlicht, Wolfgang (Prof. Dr.)Für die Rahmenbedingungen der berufsbegleitenden, postgradualen Weiterbildung liegen die Vorteile einer zeitlich und örtlich flexiblen Lernorganisation durch E-Learning auf der Hand. Die vorliegenden Arbeit untersucht, inwieweit eine E-Lernumgebung unter den gegebenen didaktischen Bedingungen in den Masterstudiengängen MASTER:ONLINE Integrierte Gerontologie und MA Gesundheitsförderung der Universität Stuttgart (1) von den Studierenden akzeptiert wird, (2) pädagogisch und technisch nutzbar ist (Usability-Überprüfung), (3) subjektiv eingeschätzte Kompetenzen fördert, (4) die Studierenden zufrieden stimmt und zu (5) Prüfungserfolg führt. Die Programmziele der E-Lernumgebung fokussieren die Akzeptanz auf einer Verhaltens- und Einstellungsebene und die kurzfristige Performanz der Studierenden nach der Nutzung der E-Lernumgebung. Ausgehend von den Lernzielen im Kontext Gesundheitsverhalten, wurde ein neues fallbasiertes Lernsystem zur Interventionsplanung (FLIP) entwickelt, implementiert und evaluiert. FLIP ist eine E-Lernumgebung, in der Studierende durch aktives klicken eine Fallgeschichte, versehen mit Ton-, Bild- und Textdateien, Lernhilfen, Notizfelder, sowie Frage- und Feedbackelemente, selbstgesteuert durchlaufen. Durch fallbasiertes Lernen mit multimedialen Gestaltungselementen soll ein aktiver, durch die Lernenden kontrollierter Lernprozess angeregt werden. Die Feedbackelemente im FLIP beabsichtigen, Lernende mit unterschiedlichem Vorwissen dabei zu unterstützen, einen Interventionsplanungsprozess selbstständig zu durchlaufen und die Lernziele einer theorie- und evidenzbasierten Interventionsplanung im Kontext Gesundheitsverhalten zu erreichen. Um die Konzeption des FLIP zu evaluieren, wurden, ausgehend von Theorien zum multimedialen Lernen und den gegebenen didaktischen Rahmenbedingungen im Kontext Gesundheitsverhalten, Kriterien zur aktiven Nutzung und Nutzbarkeit abgeleitet. Durch personen-, aktivitäts- und erfolgsbezogene Variablen wurde überprüft, ob die spezifischen Programmziele erreicht wurden. Es wurden quantitative Daten über Logfiles, Tests und Fragebögen und qualitativen Daten über offene Fragen zur Zufriedenheit mit dem FLIP erhoben. Es folgte eine deskriptive Analyse anhand von uni-, bi- oder multivariaten Verfahren. Die Lernziele wurden im vorgesehenen Zeitraum von vier Wochen mit Noten von wenigstens „gut minus“ (2,3) erreicht. 21 von 25 Studierenden schätzten ihre Methodenkompetenz in Bezug auf die Interventionsplanung und 18 von 25 Studierenden schätzten ihre Fachkompetenz in Bezug auf die Interventionsplanung nach der Nutzung des FLIP höher ein als vor der Nutzung des FLIP. Insgesamt waren die Teilnehmenden gegenüber dem Lernen mit dem FLIP „eher positiv“ eingestellt und zufrieden und bestätigten sowohl Freude beim Lernen mit dem FLIP als auch Zugänglichkeit und Bedienkomfort. Auch Teilnehmende, bei welchen die leistungsrelevanten Merkmale wie Vorerfahrung, Fach- und Methodenkompetenz sowie Studienfachinteresse wenig ausgeprägt waren, nutzten FLIP aktiv. 19% brachen die Fallbearbeitung jedoch vor Erreichen des Fallziels ab. Die Ergebnisse vertiefen das theoretisches Verständnis für die Gestaltung von fallbasierten Lernsystemen im Kontext Gesundheitsverhalten, und deuten an, wie die Aktivität beim E-Learning und die Interaktion zwischen Lerner und Lernumgebung verbessert werden kann. Die Erkenntnisse für die Gestaltung von fallbasierten Lernsystemen lassen sich wie folgt zusammenfassen: (1) Ein zielorientiertes Vorgehen führt gegenüber einem Versuchs-Irrtum-Vorgehen zu Lernerfolg. Ein Versuch-Irrtums-Vorgehen zur Lösung der Fallaufgaben lässt sich durch passgenaue Anregungen reduzieren. (2) Rückmeldungen motivieren, wenn sie individuell gestaltet sind. Ein individuelles, automatisches Feedback lässt sich an die Anzahl der Lösungsversuche der Nutzerinnen und Nutzer koppeln. (3) Asynchrone Kommunikationselemente, wie bspw. Lösungen und Kommentare anderer Nutzerinnen und Nutzer, können Diskussionen und Reflexionsprozesse zu alternativen Lösungswegen eher anregen als Musterlösungen. Insgesamt wurde der Einsatz eines fallbasiertes Lernsystems zur Interventionsplanung im Kontext Gesundheitsverhalten von der Zielgruppe akzeptiert und die Lernziele im Anschluss an das Lernen im FLIP erreicht. Es hat sich gezeigt, dass die Idee eines FLIP im Feld machbar ist. Die vorliegende Arbeit liefert der Bildungspraxis eine nützliche Problemlösung für E-Lerneinheiten im Kontext Gesundheitsverhalten und der Bildungsforschung theoretische Erkenntnisse zur Gestaltung von fallbasierten Lernsystemen zur Interventionsplanung. Weitere Forschung ist erforderlich, um zu untersuchen, inwieweit die oben beschriebenen theoretischen Annahmen zu E-Lernumgebungen führen, welche einen aktiven Lernprozess begünstigen.Item Open Access Hybrid plasmonic devices for sensing and thermal imaging(2015) Tittl, Andreas; Giessen, Harald (Prof. Dr.)Plasmonics is an emerging field in nanooptics, which focuses on the optical properties of resonant subwavelength metal nanoparticles. Historically, such geometries commonly employed noble metal nanoparticles to achieve a variety of effects ranging from nanofocusing of light to negative refraction. Building on these concepts, this thesis investigates hybrid nanoplasmonic devices, which combine passive noble metal nanostructures with chemically reactive or actively tunable materials to obtain novel functionalities. Utilizing various complex plasmonic geometries, this work pursues two complementary threads of research, covering the technological scale from fundamental science to device applications. On the one hand, it utilizes chemically synthesized hybrid plasmonic "smart dust" nanoprobes to detect progressively lower reagent concentrations. Starting from silica shell-isolated gold nanoparticles, which are used to map the catalytic reactions in adjacent extended palladium thin films, DNA-assembled bimetallic plasmonic nanosensors are investigated to resolve changes in sub-5nm Pd nanocrystals on the single antenna level, pushing the lower limit of chemical detection volume. On the other hand, it studies plasmonic perfect absorber structures, optical elements designed to absorb all radiation of a certain wavelength, which have shown promise for a variety of technological applications. Here, the focus is on both developing a theoretical model for the optical behavior of plasmonic perfect absorber structures, especially at large incident angles, as well as on the experimental realization of efficient gas sensors and active mid-infrared imaging devices.Item Open Access Zur Abschätzung der Lebensdauer von laufenden hochmodularen Faserseilen(Stuttgart : Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT) der Universität Stuttgart, 2017) Novak, Gregor; Wehking, Karl-Heinz (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Die vorliegende Forschungsarbeit untersucht die Lebensdauer laufender hochmodularer Faserseile. Hierzu gehört das Aufstellen einer Abschätzungsmethode um eine statistisch relevante Aussage über die Lebensdauer eines hochmodularen Faserseiles beim Lauf über Seilscheiben zu treffen und die Untersuchung der Faktoren, die die Lebensdauer dieser laufenden hochmodularen Faserseile beeinflussen. Weiter wird eine neuartige Spulvorrichtung für laufende hochmodulare Faserseile vorgestellt, die einer durch Schrägzug oder Höhenspannung hervorgerufenen Verdrehung entgegenwirkt und eine Erhöhung der Seillebensdauer ermöglicht.Item Open Access The KdV and Whitham limit for a spatially periodic Boussinesq model(2016) Bauer, Roman; Schneider, Guido (Prof. Dr.)Wir betrachten die KdV-Approximation und die Whitham-Approximation für ein räumlich periodisches Boussinesq-Modell. Wir zeigen Abschätzungen der Differenz zwischen der KdV- beziehungsweise der Whitham-Approximation und echten Lösungen des ursprünglichen Modells, welche garantieren, dass diese Amplituden-Gleichungen korrekte Vorhersagen über die Dynamik des räumlich periodischen Boussinesq-Modells über die natürlichen Zeitskalen machen. Der Beweis basiert auf Blochwellenanalysis und Energieabschätzungen.Item Open Access Die Hof-und Universitätsmechaniker in Württemberg im frühen 19. Jahrhundert(2013) Trierenberg, Andor; Hentschel, Klaus (Prof. Dr.)Die im Umfeld des Tübinger Astronomie- und Mathematik Professors Johann Gottlieb Friedrich Bohnberger (1765-1831)tätigen Hof- und Universitätsmechaniker werden in einer sozialhistorischen Arbeit unter der Berücksichtigung der Methode der Prosopographie untersucht. Insgesamt werden 18 Mechaniker und ihre Werkstätten betrachtet. Die Untersuchung der Werkstätten schließt auch die Lehrlinge und Gesellen mit ein. Im Mittelpunkt stehen Johann Heinrich Tiedemann (1742-1811), Gottlob Buzengeiger (1777-1836) und Wilhelm Gottlob Benjamin Baumann (1772-1849). in einem Exkurs wird die von J.G.F. Bohnenberger und G. Buzengeiger entwickelte Bohnenbergersche Schwungmaschine (Gyroskop) untersucht. Die Arbeit bietet einen Einblick in die Regionalgeschichte der Mechanikerszene in Stuttgart, Ludwigsburg und Tübingen.Item Open Access Aluminum-induced crystallization of semiconductor thin films(2015) Qu, Fei; Schmitz, Guido (Prof. Dr.)Thin film materials of the semiconductors, such as silicon (Si), germanium (Ge) or their alloys, are turning into the most promising functional materials in the energy technology. However, the morphologies of these semiconductor thin films must be varied to be suitable for the different applications, e.g. a large-grained layer as the seed layer of thin film solar cells, a porous structure for anode materials of high energy rechargeable lithium (Li) ion batteries. Due to the collective interdiffusion process during the aluminum (Al)-induced crystallization, in this thesis, the suitable morphologies are achieved for the corresponding applications under the different fabrication conditions. A large-grained Si layer can be formed by the crystallization of Si in a porous Al layer, which is obtained by applying a bias voltage. Since the Al grain boundaries are contaminated by e.g. oxygen (O), the diffusion of Si in the Al grain boundaries is retarded. It can lead to a reduction of the nucleation density of Si. At a certain high temperature, a collective diffusion process of Si in Al is activated. Consequently, a large-grained Si layer with (100) texture can be formed. By purposely interrupting the annealing of nanocrystalline Al/amorphous Si (a-Si) bilayers, a porous structure of the crystallized Si can be developed due to the incomplete intermixing of Si and Al. Due to the different dominant diffusion processes of Si in Al at the different annealing temperatures, the most Si diffuses along the different paths in the Al layer, such as triple junction, grain boundary and Al bulk. Therefore, it can develop the different morphologies of the porous Si layers after the selectively etching of Al. By introducing an amorphous Ge interlayer between the crystalline Al and amorphous Si layer, the Al grain boundaries are not essential for the crystallization of the amorphous Si in contrast to the case in Al/Si bilayer system. Si crystallizes continuously on the pre-crystallized Ge seeds which form initially at the original interface of crystalline Al and amorphous Ge. The thermodynamic models to interpret the fundamentals of these different crystallization behaviors of Si are established based on the change of the interface energy between the different phases of the whole system during the crystallization. Using the effective diffusivity, the dominant diffusion process of Si in Al can be investigated to explore the morphological dependence of the crystallized Si layer on the annealing conditions.Item Open Access Spin interactions in graphene-single molecule magnets hybrid materials(2015) Cervetti, Christian; Bogani, Lapo (Dr.)This thesis work employs magnetic molecules, belonging to the family of single molecule magnets (SMMs), as model systems to study the relaxation of mesoscopic spins on graphene, and their interaction with graphene charge carriers in real devices. Their large uniaxial anisotropy makes SMMs behave like giant spins, with relaxation times of years at low temperatures. Their spin dynamics combines a classical and a quantum relaxation mechanism, that can be selectively switched on and off by either applying an external magnetic Field or by varying the temperature. The work is organized as follows. The First part presents a thorough structural characterization of the SMMs-graphene hybrid materials via multiple techniques, including atomic force microscopy, x-ray photoelectrons spectroscopy, mass spectrometry, Raman spectroscopy, and electronic transport measurements on graphene-based Feld-effect transistors. The analysis of the dynamical arrangement of molecular adsorbates on graphene reveals new opportunities to control the supramolecular surface arrangement. A comprehensive study of the magnetization dynamics of SMMs on graphene is carried out by means of ac-susceptibility techniques in a broad temperature range (T = 4K - 13 mK). The details of the complex spin-graphene interaction are unraveled in the framework of a newly developed theoretical model that accounts for all the possible fundamental contributions and the two-dimensional nature of graphene. The focus of the second part is the design, fabrication and characterization of graphene-based spintronic devices. Diffrent strategies for the injection of spin-polarized carriers in graphene are implemented and tested down to very low temperatures (T = 300 mK). To conclude the first spin-transport and spin-relaxation measurements in SMMs-graphene devices are presented.