Universität Stuttgart
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Item Open Access A fully coupled thermomechanical 3D model for all phases of friction stir welding(2016) Hoßfeld, MaxAlthough friction stir welding (FSW) has made its way to industrial application particularly in the last years, the FSW process, its influences and their strong interactions among themselves are still not thoroughly understood. The lack of understanding mainly arises from the adverse observability of the actual process with phenomena like material ow and deposition, large material deformations plus their complex thermo-mechanical interactions determining the weld formation and its mechanical properties. A validated numerical process model may be helpful for closing this gap as well as for an isolated assessment of individual influences and phenomena. Hereby such a model will be a valuable assistance for process and especially tool development. In this study a Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) approach with Abaqus V6.14 is used for modeling the whole FSW process within one continuous model. The resolution reached allows not only simulating the joining of two sheets into one and real tooling geometries but also burr and internal void formation. Results for temperature fields, surface and weld formation as well as process forces are shown and validated.Item Open Access Untersuchungen zur Derivatisierung und Charakterisierung Carben-analoger N-heterozyklischer Halogenarsane(2021) Bender, Johannes; Gudat, Dietrich (Prof. Dr. Dr.)Die Chemie neutraler N-heterozyklischer Arsane konnte durch Synthese einer Reihe von Verbindungen mit funktionellen Substituenten am Arsen (Halogeno-, Pseudohalogeno-substituiert) erweitert sowie strukturelle und elektronische Verhältnisse aufgeklärt werden. Aus 2-Chloro-1,3,2-Diazaarsolidinen und -1,3,2-Diazaarsolenen konnten einige neue kationische Arsen-Analoga von N-heterozyklischen Carbenen hergestellt werden. Des Weiteren konnten noch unbekannte 2-Thiolato- und 2-Xanthogenato-1,3,2-Diazaarsolidine und -1,3,2-Diazaarsolene dargestellt und charakterisiert werden.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 Are different stoichiometries feasible for complexes between lymphotoxin-alpha and tumor necrosis factor receptor 1?(2012) Mascarenhas, Nahren Manuel; Kästner, JohannesBackground Tumor necrosis factors, TNF and lymphotoxin-α (LT), are cytokines that bind to two receptors, TNFR1 and TNFR2 (TNF-receptor 1 and 2) to trigger their signaling cascades. The exact mechanism of ligand-induced receptor activation is still unclear. It is generally assumed that three receptors bind to the homotrimeric ligand to trigger a signaling event. Recent evidence, though, has raised doubts if the ligand:receptor stoichiometry should indeed be 3:3 for ligand-induced cellular response. We used molecular dynamics simulations, elastic network models, as well as MM/PBSA to analyze this question. Results Applying MM/PBSA methodology to different stoichiometric complexes of human LT-(TNFR1)n=1,2,3 the free energy of binding in these complexes has been estimated by single-trajectory and separate-trajectory methods. Simulation studies rationalized the favorable binding energy in the LT-(TNFR1)1 complex, as evaluated from single-trajectory analysis to be an outcome of the interaction of cysteine-rich domain 4 (CRD4) and the ligand. Elastic network models (ENMs) help to associate the difference in the global fluctuation of the receptors in these complexes. Functionally relevant transformation associated with these complexes reveal the difference in the dynamics of the receptor when free and in complex with LT. Conclusions MM/PBSA predicts complexes with a ligand-receptor molar ratio of 3:1 and 3:2 to be energetically favorable. The high affinity associated with LT-(TNFR1)1 is due to the interaction between the CRD4 domain with LT. The global dynamics ascertained from ENMs have highlighted the differential dynamics of the receptor in different states.Item Open Access Untersuchung der Abscheidung von Bornitrid auf metallischen Substraten(2004) Ulrich, Lars; Lunk, Achim (Prof. Dr.)Das kubische Bornitrid (c–BN) ist nach Diamant das zweithärteste bekannte Material. Gegenüber dem Diamant ist es aber chemisch stabiler und bildet keine Verbindungen mit eisen- und nickelhaltigen Legierungen. Diese Eigenschaften macht es geradezu ideal für den Einsatz als Verschleißschutzschicht von Werkzeugen für die Stahlbearbeitung. In der Industrie wird c–BN bereits zur Stahlbearbeitung eingesetzt. Die Werkzeuge bestehen aus mit Hilfe eines Binders gesinterten c–BN Kristalliten. Die c–BN Kristallite werden dafür in einem Hochdruck-Hochtemperatur-Prozess hergestellt. Bei diesen Werkzeugen hat c–BN seine Einsatzmöglichkeit in der Materialbearbeitung bereits bewiesen. Der Nachteil dieser Werkzeuge ist allerdings die aufwändige Nachbearbeitung des gesinterten Materials. Das wesentliche Problem bei der plasmagestützten Schichtabscheidung sind die hohen Eigenspannungen, die während des Wachstums in den Schichten entstehen. Für das Wachstum der kubischen Phase ist ein Beschuss der Schicht mit Ionen notwendig. Durch diesen Ionenbeschuss werden gleichzeitig intrinsische Spannungen in den Schichten erzeugt. Sie limitieren die Dicke und die Stabilität der abgeschiedenen Schichten. In den meisten Fällen platzten die Schichten schon bei einer Dicke von wenigen 100 nm ab. Eine Verbesserung der Schichtstabilität kann erreicht werden durch eine Reduzierung der Schichtspannungen und durch die Optimierung der Zwischenschicht zwischen der c–BN-Schicht und dem Substrat. Neben diesem grundsätzlichen Problem gibt es für eine industrielle Anwendung zusätzliche Anforderungen. Bisher wurden die meisten c–BN Beschichtungen auf Silizium und im Labormaßstab durchgeführt. Für eine industrielle Anwendung werden metallische Substrate und größere Anlagen benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Abscheidung von Bornitridschichten auf titannitridbeschichteten Stahlsubstraten untersucht und optimiert. Die Abscheidung der Schichten erfolgte in einem Hohlkathodenbogen-Verdampferverfahren unter Ionenbeschuss. Vor der Schichtabscheidung wurden die Plasmabedingungen in der Anlage systematisch untersucht. Daraus ergab sich eine Voraussage über die Größe des Volumens, in dem eine Abscheidung von c-BN möglich sein sollte. Diese Voraussage konnte experimentell nahezu bestätigt werden. Das Schichtwachstum wurde insitu mit polarisierter Infrarot-Reflexionsspektroskopie (PIRRS) untersucht. Bei der Verwendung der PIRRS in Verbindung mit metallischen, hoch reflektierenden Substraten ergibt sich eine Steigerung der Empfindlichkeit bei dünnen Schichten durch den Berreman-Effekt in p-Polarisation. Wie in der Arbeit gezeigt wird, kann diese Berreman-Absorption zur Überwachung des Wachstums der h-BN-Zwischenschicht eingesetzt werden. Die Messgröße für die Überwachung des Wachstums ist die Position des Minimums der Berreman-Absorption und ihre Verschiebung während der Beschichtung. Die Untersuchng der Zwischenschicht mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie zeigt eine Korrelation zwischen der Berreman-Absorption und der Struktur des h-BN's. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Silizium- und metallischen Substraten sind die beim Abkühlen entstehenden thermischen Spannungen. Sie wurden im Rahmen dieser Arbeit mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Werte der thermischen Spannungen auf metallischen Substraten vom Betrag her deutlich größer sind als bei Siliziumsubstraten. Zusätzlich ist das Vorzeichen entgegen gerichtet. Bei Silizium werden die bei der Beschichtung entstehenden kompressiven Spannungen durch die thermischen Spannungen beim Abkühlen vermindert, während sich auf metallischen Substraten beide Spannungen addieren. Im Experiment konnte dies bestätigt werden. Erst durch die Einführung einer ca. 250 nm dicken h-BN-Zwischenschicht konnten Schichten abgeschieden werden, die mehrere Monate stabil waren. An mehreren, zeitlich stabilen Schichten wurden ex situ Untersuchungen zur Charakterisierung der Schichteigenschaften durchgeführt. Die Härte wurde mit einem Indenter-Verfahren gemessen. An einer Schicht mit einer Gesamtschichtdicke von 1,07 µm und einem c-BN Anteil von 820 nm ergab sich eine Mikrohärte von 37,4 GPa und ein E-Modul von 268 GPa. Mit dem Kalottenschliff wurde ein Vergleich zwischen einer Titannitrid- und einer c-BN-Schicht durchgeführt. Dabei wurde unter denselben Bedingungen eine Kugel in die jeweilige Schicht eingeschliffen. Bei Titannitrid ergab sich unter den gewählten Bedingungen eine Einschleiftiefe von 1,45 µm und bei c-BN eine Tiefe von 0,75 µm. D.h. in der c-BN-Schicht reduziert sich die Einschleiftiefe nahezu auf die Hälfte gegenüber Titannitrid. Das zeigt das Potential, welches in c-BN als Verschleißschutzschicht liegt.Item Open Access Resolving heterogeneities in single and multiphase bioreactor systems - Predictive modelling tools towards successful scale-up(2020) Kuschel, Maike; Takors, Ralf (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Enzymatische Hydratisierung kurzkettiger Fettsäuren und Alkene(2018) Demming, Rebecca M.; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Item Open Access Probing molecular quantum bits(2021) Lenz, Samuel; Slageren, Joris van (Prof. Dr.)Item Open Access Persistente organische Spurenstoffe in Kompost und Rückständen der Biomassevergärung - Belastungsituation, Abbau und Bewertung(2011) Stäb, Jessica; Metzger, Jörg (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Analyse verschiedener ausge- wählter organischer Spurenstoffe, sowohl in Komposten als auch in Gärresten. Die Pro- bennahme erfolgte dabei monatlich über ein Jahr hinweg - Proben wurden sowohl von den fertigen Produkten als auch von den Zwischenstufen genommen. In Laborversuchen wurden kontaminierte Materialien den bei der Kompostierung auftretenden Temperatu- ren ausgesetzt, um das Verhalten der Schadstoffe zu beobachten. Desweiteren wurden Versuche zur Aufnahme der analysierten Schadstoffe in Kompostwürmern (Eisenia feti- da) und Pflanzen (Weizen) durchgeführt, sowie Ausgangsmaterialien der Kompostierung und Vergärung analysiert. Hierbei wurden in allen Kompost- und Gärrestproben die Schadstoffe bzw. Schadstoff- gruppen DEHP, 16-EPA-PAK, PCB7, PBDE9, p,p’-DDE, DBE, BBP sowie Nonylphe- nole in quantitativen Mengen gefunden. In einem GC-MS-Screening konnten außerdem verschiedene Fettsäuren, Terpene, PAK-Derivate, Insektizide und Aromastoffe wie Va- nillin und Limonen nachgewiesen werden. In Gärresten lagen die Schadstoffkonzentratio- nen im Allgemeinen höher als in den Kompostproben. Die geringsten Konzentrationen konnten in den Proben des Grüngutkomposts ermittelt werden. Grenzwerte, soweit sie existieren, wurden hierbei nur im Falle von DEHP für einige norwegische Gärrestproben überschritten. Während der Kompostierung, Vergärung und insbesondere der Gärrest- trocknung konnte ein Rückgang der Konzentrationen der Schadstoffe DEHP und der PAK beobachtet werden, ebenso wie bei den Thermoversuchen im Labor. Zwischen der Belastungssituation der Proben, die aus Anlagen mit unterschiedlicher Prozessführung und aus verschiedenen Ländern genommen wurden, zeigten sich deut- liche Unterschiede. So wurden in den norwegischen Komposten und Gärresten deutlich höhere Konzentrationen an DEHP nachgewiesen. In den deutschen Anlagen hingegen wurden höhere Belastungen an PAK, PCB und PBDE festgestellt. Dies mag mit der unterschiedlichen Verwendung der Stoffe, sowie im Falle der PAK, die im Wesentlichen durch Verbrennungsprozesse entstehen, mit einer unterschiedlichen Besiedlungsdichte der Länder zusammenhängen. Betrachtet man die Hintergrundbelastung von Böden mit den beiden Schadstoffgruppen der PCB und PBDE, so zeigen sich deutlich geringere Konzentrationen in Norwegen als in Deutschland. Auch dies mag neben der früheren Verwendung mit der geringeren Besiedlungsdichte zusammenhängen. Hingegen ist die erhöhte Belastung des norwegischen Gärrestes mit DEHP eher prozessbedingt. Eine deutlich geringere Belastung als für die anderen Probentypen konnte für den Kom- post aus reinem Grünschnitt festgestellt werden. Eine Belastung mit Industriechemikali- en trat hier kaum auf. Der Kompost aus der Containerkompostierung wies eine deutlich geringere PAK-Belastung auf als die anderen untersuchten Komposte. In diesem Fall ist ein Eintrag der PAK über den Luftweg während der Hauptrotte ausgeschlossen. Ein deutlicher Unterschied kann auch zwischen der anaeroben und aeroben Abfallbehand- lung beobachtet werden. In den Gärrestproben wurden deutlich höhere Konzentratio- nen nachgewiesen als in den Kompostproben (siehe Kapitel 4.1.1: Konzentrationen der einzelnen Verbindungen). Die Eliminierung der verschiedenen Schadstoffe während der Kompostierung/Vergärung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. So spielen so- wohl Temperatur, Dauer des Prozesses, als auch die beteiligten Mikroorganismen eine entscheidende Rolle. Neben dem Abbau haben weitere Faktoren wie Mineralisierung, nichtkovalente und kovalente Bindung an Partikel (z.B. Humus) und Evaporation einen Einfluss auf die Konzentrationsabnahme der Schadstoffe. Vor allem die Trocknung des Gärrestes nach der Vergärung führt zu einem hohen Konzentrationsverlust an DEHP und den flüchtigeren PAK. Auch die Temperatur während der Vergärung und damit die beteiligten Mikroorganismen scheinen einen Einfluss auf die Schadstoffkonzentra- tion zu haben. Gärrest aus einer mesophilen Vergärung weist deutlich höhere DEHP- Konzentrationen auf als Gärrest aus der thermophilen Vergärung (siehe Kapitel 4.1.2: Abhängigkeit der Konzentration vom Kompostierungsgrad und der Trocknung des Gär- restes ). Experimente zur Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf Abbau und Mineralisierung haben ebenfalls gezeigt, dass die Temperatur einen großen Einfluss auf die Schadstoffkonzentration ausübt.Item Open Access Predicting response to immunotherapy in metastatic melanoma by a personalized mathematical model(2020) Tsur, Neta; Morrison, Markus (Prof. Dr.)At present, immune checkpoint inhibitors, such as pembrolizumab, are widely used for the treatment of advanced non resectable melanoma, as they induce more durable responses than other available treatments. However, the overall response rate does not exceed 50%, and prediction of the individual benefit of patients from these therapeutics remains an unmet clinical need. Mathematical models that predict the response of patients with advanced melanoma to immune checkpoint inhibitors can contribute to better informed clinical decisions. The aim of this work was to develop a new personalization algorithm for predicting time to disease progression under pembrolizumab treatment, based on personal mathematical models of patients with advanced melanoma. First, a simple mathematical model was developed for describing the interactions of an advanced melanoma tumor with both the patient’s immune system and the immunotherapeutic drug, pembrolizumab. The local and global dynamics of the treatment-free model was analyzed analytically and numerically. The complete model was then implemented in conjunction with clinical pre-treatment data, in an algorithm which enables prediction of the personal response to the drug. To develop the algorithm, clinical data of 54 patients with advanced melanoma under pembrolizumab were collected retrospectively. In the following, clinical parameters before checkpoint inhibition and in the early course of pembrolizumab treatment were correlated to the mathematical model parameters. Using the algorithm together with the longitudinal tumor burden of each patient, the personal mathematical models were identified and used in simulations to predict the patient’s time to progression. The prediction capacity of the algorithm was validated by the Leave-One-Out cross validation methodology. The results show that zero, one, or two steady states of the treatment-free mathematical model exist in the phase plane, depending on the parameter values of individual patients. Without treatment, the simulated tumors grew uncontrollably. At increased efficacy of the immune system, i.e. due to immunotherapy, two steady states were found, one leading to uncontrollable tumor growth, whereas the other resulted in tumor size stabilization. The model analysis indicates that a sufficient increase in the activation of CD8+ T cells results in stable disease, whereas a significant reduction in T-cell exhaustion, which indirectly promotes CD8+ T cell activity, entails a temporal reduction in the tumor mass, but fails to control disease progression in the long run. Importantly, the initial tumor burden influences the in-treatment dynamics: small tumors responded better to treatment than larger tumors. Among the analyzed clinical parameters, the baseline tumor load, the Breslow tumor thickness, and the status of nodular melanoma were significantly correlated with the activation and exhaustion rates of CD8+ T cells. Using the measurements of these correlates to personalize the mathematical model, the time to progression of individual patients was predicted (Cohen’s κ = 0.489). Comparison of the predicted and clinical time to progression in patients progressing during the follow-up period showed moderate accuracy (R2=0.505). The treatment-free model analysis suggests that disease progression and response to immune checkpoint inhibitors depend on the ratio between activation and exhaustion rates of CD8+ T cells as well as the tumor growth rate. This analysis provides a foundation for the use of computational methods to personalize immunotherapy. Furthermore, the results suggest that a relatively simple mathematical mechanistic model, implemented in a computational algorithm, can be personalized by baseline clinical data before immunotherapy onset. The algorithm, currently yielding moderately accurate predictions of individual patients’ response to pembrolizumab, can be improved by using a larger number of patient files. Validation of the algorithm by an independent clinical dataset will enable its use as a tool for treatment personalization.