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Das Materialsystem GaN auf Si verspricht die Verknüpfung der Vorteile eines Wide Bandgap Halbleiters mit den niedrigen Herstellungskosten von Si. So können High Electron Mobility Transistoren zum Beispiel auf Basis einer AlGaN/GaN-Heterostruktur als Ausgangspunkt kosteneffektiver und zugleich sehr energieeffizienter Leistungsschalter dienen. Die heteroepitaktische Herstellung bedingt jedoch hohe Materialdefektdichten, welche sich insbesondere in Form von Versetzungen und inversen Pyramidendefekten (V-pits) äußern. Der Einfluss dieser Defekte auf Bauelemente ist auf Grund der experimentell schwierigen Untersuchung jedoch nur sehr unzureichend bekannt und verstanden.
In dieser Arbeit wurde eine strukturelle und elektrische Charakterisierungsmethodik von Versetzungen und V-pits in GaN auf Si entwickelt und systematisch auf unterschiedliche Proben angewendet. Der Fokus lag dabei auf der direkten Korrelation mikrostruktureller und elektrischer Eigenschaften bei gleichzeitiger Gewährung einer statistischen Relevanz der Ergebnisse. Dabei gelang es, charakteristische Versetzungsstrukturen und V-pits als Leckstrompfade durch das Material zu identifizieren und deren Auftreten mit Herstellungsparametern der Proben zu untersuchen. So stellte sich heraus, dass letztere eine essentielle Rolle hinsichtlich der elektrischen Aktivität von Versetzungen und des Auftretens von V-pits spielen. Zusätzlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse bezüglich ihrer Relevanz für Bauelemente untersucht. Dabei konnte erstmalig der direkte Einfluss einzelner, elektrisch aktiver Versetzungen in GaN auf Si nachgewiesen werden. So bedingen sie eine Verschiebung der Einschaltspannung von Schottky-Dioden zu niedrigeren Werten, während V-pits eine starke Degradation der kritischen elektrischen Feldstärke des Materials nach sich ziehen. Die Arbeit leistet damit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Eigenschaften und Rolle dieser Defekte und damit zur technologischen Optimierung des Materialsystems.
Komplexität ist eine der großen Herausforderungen unserer Zeit. Daher müssen Ingenieure besonders in der Entwicklung die stetig steigende Komplexität in diversen Domänen beherrschen, um den Produkt- und damit Unternehmenserfolg zu realisieren. Für die zweckmäßige Modellierung der vielen verschiedenen Elemente und Relationen komplexer Systeme sind domänenübergreifende, integrative und damit holistische Modellierungsansätze erforderlich, welche jeweils kontextbezogen nützliche, mathematische Analyse- sowie Visualisierungsmöglichkeiten erlauben um Entwicklern eine multikriterielle Bewertung bestimmter Handlungsalternativen zu ermöglichen. Derzeit bestehende Ansätze eignen sich hierfür jedoch unter anderem aufgrund methodischer Defizite, ihres hohen Modellierungsaufwands, eingeschränkter Analyse- und Visualisierungsmöglichkeiten oder ihrer geringen Unterstützung bei der multikriteriellen Bewertung nur eingeschränkt.
Daher wird in der vorliegenden Arbeit ein Konzept vorgestellt, mit dem Entwickler beim holistischen Komplexitätsmanagement in der Produktentwicklung unterstützt werden, indem kontextbezogen jeweils geeignete Methoden für die integrierte Modellierung, Analyse, Visualisierung und Bewertung komplexer Systeme für eine zielgerichtete Entscheidungsfindung zur Verfügung gestellt werden. Zur effektiven und effizienten Anwendung der Methodik wird ein IT-Werkzeug präsentiert, das Entwickler bei deren Aufgaben im Rahmen des holistischen Komplexitätsmanagements unterstützt.
In dieser Dissertation, basierend auf dem Molecular Communication (MC)-System, wird ein wasserbasiertes Testbed im Makromaßstab verwendet, um die Ausbreitung von biokompatiblen, wirkstoffbeladenen superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) durch ein menschliches Gefäß für Anwendungen zur Arzneimittelabgabe zu imitieren. Im Testbed wird Partikelsuspension mit unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten in einen mit Wasser gefüllten Kanal gepumpt und von einem Suszeptometer detektiert. Alle Grundlagen, die zum Verständnis der Physik des Testbeds erforderlich sind, werden besprochen. In einer Vorstudie wird das Testbed zu einem mathematisch beschriebenen 2D-rotationssymmetrischen Modell vereinfacht und sein Strömungsregime analytisch hergeleitet. Eine vollständige numerische Untersuchung des vereinfachten Modells wird durchgeführt. Um die Rechenkomplexität der 3D-Multiphysik-Simulationen zu vermeiden, werden die magnetischen und fluidischen Simulationen entkoppelt und separat simuliert, woraus die Systemantwort effizient geschätzt wird. Andere Detektoren, einschließlich Helmholtz-, Maxwell- und Planarspulen, werden ebenfalls in Betracht gezogen. Es zeigt sich, dass das detektierte Signal der Spulen direkt proportional zur Volumensuszeptibilität und damit zur Dichte der Partikel in ihren Detektionsbereichen ist. Eine Änderung der Partikelverteilung im Sender vor der Injektion in den Kanal führt zu verschiedenen Verteilungen im Detektor, was die Systemreaktion erheblich beeinflusst.
Der Trend der Miniaturisierung führt dazu, dass elektronische Geräte auf kleinstem Raum verbaut werden und gleichzeitig einen erhöhten Funktionsumfang erfüllen müssen. Um die geforderten Leistungsdichten zu realisieren, werden zunehmend moderne Leistungshalbleiter mit sehr kleinen Abmessungen verwendet. Durch die Miniaturisierung der Leistungselektronik ist vor allem die Wärmespreizung von kleinen Heizquellen von Interesse, d.h. die Heizquelle befindet sich in der Mitte und die Wärme wird über eine größere Fläche verteilt. Mit sogenannten plattenförmigen pulsierenden Heatpipes (PHPs) kann die Wärme effizient verteilt werden. Innerhalb der PHP stellt sich eine selbstoszillierende Zweiphasenströmung ein, sodass sowohl der konvektive Wärmetransport als auch der Phasenwechsel genutzt wird.
Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, optimierte PHP-Designs zur Wärmespreizung von kleinen Heizquellen zu entwickeln.
Bilder von Laienkünstlerinnen bleiben oft unbeachtet, egal ob im Schaufenster eines Versicherungsmaklers, auf dem Kunstmarkt, in der Kunstwissenschaft, im Diskurs der Kunstpädagogik oder der kulturellen Bildung. In dieser Dissertation rücken sie in den Fokus. Untersucht wird das implizite Erfahrungswissen, welches Bildpraxis und Bilderfahrung der Laienkünstlerinnen handlungsleitend prägt. Da sich aber sowohl die ästhetischen Erfahrungs- und Bildungsprozesse als auch die impliziten Wissensstrukturen einer direkten Betrachtung entziehen, stellt sich zudem die Frage nach der methodischen Vorgehensweise und Darstellung der Untersuchung.
Die (ästhetische) Erfahrung mit dem von Bernhard Waldenfels zugrunde gelegten responsiven Erfahrungsbegriff, die (ästhetische) Bildung mit dem transformatorischen Bildungsbegriff von Hans-Christoph Koller und das implizite Wissen und Können, welches die (ästhetische) Praxis organisiert, bilden die theoretischen Grundlagen der Betrachtungen.
Als Datenbasis dienen bildnerische Arbeiten von 34 Studienteilnehmenden, die in einem arrangierten Versuchssetting erstellt wurden, sowie ein anschließendes Leitfadeninterview. Die Rekonstruktion der handlungsleitenden Orientierungen erfolgt in Anlehnung an die dokumentarische Methode von Ralf Bohnsack und wird exemplarisch anhand zweier ausgewählter Fälle ausführlich dargestellt. Die Methode der Bildanalyse wird weiterentwickelt, um sozial- und bildungswissenschaftliche, phänomenologische, bildphilosophische und kunstpädagogische Arbeitsweisen zusammenzuführen. Die Studie zeigt, dass gerade die leisen Spuren (das impliziten Wissen) im Bild oder in den Bildpraktiken Anlässe für Umwandlungen, Veränderungen und Bildungen der Selbst- und Weltverhältnisse bieten und bildungsrelevant werden können.
Wichtige Anmerkung: die weibliche Endung „innen“ soll jeweils für die gendergerechte Schreibung kursiviert werden. Wenn dies nicht möglich oder nicht sinnvoll ist, soll z. B. „von Laienkünstlerinnen und -künstlern“ geschrieben werden. Für den Buchtitel hat Herr Putnings die Kursivierung abgelehnt.
Im Spannungsfeld zwischen ökologischen und ökonomischen Herausforderungen werden im Bereich der Produktionstechnik innovative Verfahren benötigt, um die steigenden Anforderungen an neue Produkte erfüllen zu können. Die Blechmassivumformung stellt in diesem Zusammenhang eine vielversprechende Technologie dar, welche die Potentiale etablierter Verfahren der Blech- und Massivumformung kombiniert. Die zentralen Herausforderungen bestehen vor allem in der Sicherstellung einer ausreichenden Kontrolle der lokal variierenden zwei- und dreiachsigen Spannungs- und Dehnungszustände zur Herstellung endkonturnaher Bauteile. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit das Prozessverständnis hinsichtlich der Auslegung und des Einsatzes prozessangepasster Halbzeuge vertieft und erweitert, um die Stoffflusskontrolle entsprechend den geforderten Bauteileigenschaften steigern zu können. Als Grundlage der Untersuchungen wurde die anforderungsbasierte Auslegung einer zielführenden Werkzeuggeometrie zur Herstellung prozessangepasster Halbzeuge anhand einer numerischen Variantensimulation durchgeführt, welche nachfolgend um einen effizienteren Auslegungsansatz ergänzt wurde. Die zentralen Anforderungen umfassen die Vermeidung identifizierter Fehlerbilder an den außenverzahnten Funktionsbauteilen, welche durch die einstufige Verfahrenskombination aus Tiefziehen und Stauchen hergestellt werden. Die Realisierung einer ausreichend hohen Stoffflusskontrolle ist bei Verfahren der Blechmassivumformung eine der Grundvoraussetzungen für die effiziente Herstellung fehlerfreier Funktionsbauteile aus Stahl- und Aluminiumlegierungen.
Superstring theory and loop quantum gravity (LQG) are promising approaches towards the formulation of a quantum theory of gravity. Superstring theory aims at unification of all fundamental forces of nature, predicting supersymmetry and even higher spacetime dimensions. LQG, on the other hand, takes a more conservative viewpoint by proposing new quantization techniques that take seriously the central principles of general relativity.
The goal of this work is to relate ideas from LQG and superstring theory by combining LQG with the concept of supersymmetry. To achieve this, the mathematical apparatus for a mathematically rigorous description of the underlying geometric structures of supergravity theories, i.e., supersymmetric extensions of Einstein’s theory of gravity, will be developed. Among other things, this approach leads to a reformulation of the theory in which (part of) supersymmetry manifests itself in terms of a gauge symmetry.
Using the interpretation of supergravity in terms of a super Cartan geometry, the Holst variant of the MacDowell-Mansouri action for (extended) AdS supergravity in D=4 for arbitrary values of the Barbero-Immirzi parameter - a free parameter of the theory - will be derived. Moreover, it will be demonstrated that these actions provide unique boundary terms that ensure local supersymmetry invariance at boundaries.
The chiral case is special: The action is invariant under an enlarged gauge symmetry, the boundary theory is a topological super Chern-Simons theory, and a chiral connection emerges that is the natural generalization of the Ashtekar connection to the supersymmetric context. Making use of the enlarged gauge symmetry, a quantization of the theory generalizing standard tools of LQG will be proposed.
These results provide a starting point for applications in the context of supersymmetric black holes and quantum cosmology. There, the enhanced gauge symmetry proves to be a promising tool which in the future may shed a lot of insights on how to relate results from these different approaches.
Bei der Herstellung von Verbindungselementen kommen meist Drahtwerkstoffe als Ausgangsmaterial zum Einsatz. Aufgrund des in einem globalisierten Absatzmarkt starken Kostendrucks rückt das Vormaterial vermehrt in den Fokus als potentieller Hebel zur Reduzierung der Herstellungskosten. Eine falsche Wahl des Vormaterials birgt jedoch die Gefahr einer Beeinträchtigung der Prozessfähigkeit, wie anhand des im Rahmen der Arbeit untersuchten Modellprozesses hervorgeht. Durch eine eingehende Analyse eines Bor-Mangan-Stahls konnte die Beeinflussung der plastischen Werkstoffeigenschaften durch die Drahtherstellung ermittelt werden. Die erarbeiteten Modellierungsansätze zur Berücksichtigung der Eigenschaften aus Vorprozessen in numerischen Modellen lassen nun eine Quantifizierung der unterschiedlichen Eigenschaften von verschiedenen Herstellungsvarianten eines Drahtwerkstoffes zu. Zudem wird anhand einer Untersuchung wichtiger Grundumformoperationen deutlich, dass der gezielte Einsatz von Vormaterialzustände auch zur Erweiterung von Prozessgrenzen genutzt werden kann.
Hochfeste Stähle sind aufgrund ihres guten Preis-Leistungs-Verhältnisses vor allem für hohe Produktionsstückzahlen ein essentieller Baustein zur Umsetzung des werkstofflichen Leichtbaus. Um den höheren Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung gerecht zu werden und Nahtdefekte zu vermeiden, gilt es den Schweißprozess entsprechend anzupassen. Folglich wird in der vorliegenden Arbeit der Einfluss von Strahloszillation auf die Schmelzbadgeometrie und die Erstarrungsbedingungen beim Schweißen hochfester Stähle analysiert. Ziel ist die Unterdrückung von Nahtmittenrissen, die sich laut Stand der Technik durch drei Strategien vermeiden lassen. So führen eine Reduzierung der Dehnungsgeschwindigkeiten während der Erstarrung, eine Ablenkung der Erstarrungsrichtung zum Schmelzbad hin durch eine Vergrößerung des Winkels der Erstarrungsfronten sowie eine Verringerung der im Prozess auftretenden Dehnungen zu einer verminderten Heißrissgefahr. Durch die anfängliche Ermittlung kritischer Schmelzbadformen und die anschließende systematische Untersuchung der Parameter Oszillationsfigur, -amplitude, -frequenz, Streckenenergie, Fokusdurchmesser und Schutzgas wird eruiert, wie die Schmelzbadgeometrie unter Anwendung von Strahloszillation bestmöglich im Sinne der drei Strategien variiert werden kann. Abschließend wird anhand von Beispielen erfolgreich demonstriert, dass sich Nahtmittenrisse durch die Anwendung von Strahloszillation beim Laserstrahlschweißen vermeiden lassen.
Ein effizienter Ressourceneinsatz hat vor dem Hintergrund einer wachsenden Weltbevölkerung und steigendem Bedarf nach Konsumgütern in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies erfordert nachhaltigere und flexiblere industrielle Produktionsprozesse. Eine Strategie, um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist der Einsatz neuartiger Fertigungsprozesse wie der additiven Fertigung. Die additive Fertigung bietet ein enormes Potential zur Flexibilisierung und Individualisierung von Produkten mit gesteigertem Mehrwert. Diese ist nach heutigem Stand allerdings mit langen Fertigungszeiten und geringerer Produktivität bei hohen Stückzahlen im Vergleich zu konventionellen Verfahren wie dem Umformen verbunden. Die Kombination der additiven Fertigung mit der Umformung zur Herstellung hybrider Bauteile bietet die Möglichkeit, die spezifischen Vorteile beider Technologien auszuschöpfen. Das im Rahmen der Arbeit verfolgte Ziel ist es daher, ein grundlegendes Verständnis über die Umformbarkeit hybrider Bauteile zu erhalten. Den Ausgangspunkt der Untersuchungen bildet die systematische Analyse von Einflussgrößen bei der Herstellung additiv gefertigter Strukturen auf einem Blechgrundkörper durch pulverbettbasiertes Schmelzen mittels Laser (PBF-LB/M). Die hybriden Bauteile werden anschließend hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Gefüge charakterisiert. Die Umformbarkeit wird mittels freiem Biegen bewertet. Dadurch ist es möglich, die Formgebung anhand von Geometrie, Formänderungsverteilung, Materialfluss und Spannungszustand zu analysieren. Die gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend auf ein Demonstratorbauteil übertragen und die Identifikation von Potentialen für eine industrielle Anwendung vorgenommen.
The skin equivalent opto-/elastofluidic in-vitro microphysiological vascular models are prepared as the functional validation test charts to evaluate the correctness of the bio-optical measurements/imaging. The opto-/elastofluidic models are constructed with the TiO2/molecular dye insertions. The tissue equivalences to the cutaneous tissue of human are characterized. It is proved that these opto-/elastofluidics can withstand high liquid pressure up to 6 bar and high flow rate of 10 mL/min to allow the simulation of the real blood hydraulics. It is also proved that the in-vivo skin optical parameters μa and μ‘s of the human volunteers match the elastofluidic phantoms. The Young’s moduli E of the elastofluidic phantom matrices are manipulated to give the same reaction to the mechanical load as the real soft skin cutis. The speed of sound propagating through the PVCp matrices is tailored at 1350 to 1500 m/s, which approach that in the real tissue of about 1540 m/s. The diffuse optical biopsy is built to measure the optical path length factors of all major chromophores of the artificial hemoglobin dilutions included in the phantoms. For both oxy- and deoxygenated hemoglobin, the concentration dependencies of the optical path length factors are defined as fPf (Ct) ~ Ct-0.5. Preliminary human experiments are done on the suspicious spider nevi and the embedded nodule lesion, and prove the tissue equivalences of the microphysiological elastofluidic skin models.
Kommerzielle digitale Spiele dienen in erster Linie der Unterhaltung. Allerdings haben sie auch das Potenzial, einen Beitrag zur Bildung und zum Kompetenzerwerb in zahlreichen Domänen zu leisten, sowohl im Rahmen des Schulunterrichts und von Arbeitsgemeinschaften als auch beim normalen Spielen in der Freizeit. Insofern richtet sich dieses Buch an eine breite Zielgruppe: Neben Fachdidaktikern, Lehrkräften und Lehramtsstudierenden kann dieses Buch Impulse für Personen liefern, die digitale Spiele in Arbeitsgemeinschaften oder zur außerschulischen Jugendarbeit einsetzen und dabei fachliches Lernen anregen möchten. Weiterhin können die Ausführungen für Spieler und ihr familiäres Umfeld von Interesse sein.
In diesem Band finden außer theoretischen Grundlagen Beiträge, die sich mit Nutzen und Anwendungsmöglichkeiten digitaler Spiele in den Domänen Deutsch, Politik, Kunst und Informatik. auseinandersetzen.
Für den Folgeband sind Artikel zu den Disziplinen Biologie, Geographie, Geschichte und Wirtschaft geplant.
Additive Fertigungsverfahren erlauben große Designfreiheiten, die durch Design for Additive Manufacturing (DfAM) ausgeschöpft werden können. An AM-Leichtbauteile werden besonders hohe Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen gestellt. Hierfür eignen sich besonders Faser-Kunststoff-Verbunde. Mit dem Fused Layer Modelling-(FLM-)Verfahren lässt sich die ausgeprägte Anisotropie der Faser-Kunststoff-Verbunde im Vergleich zu anderen AM-Verfahren sehr zielgerichtet einsetzen.
In dieser Dissertation wird daher ein strukturierter DfAM-Ansatz zur Auslegung kurzfaserverstärkter FLM-Leichtbauteile vorgestellt. Dieser berücksichtigt die orthotropen Materialeigenschaften zunächst durch eine Baurichtungsoptimierung, die den Kraftfluss im Bauteil möglichst planar in der Druckplattformebene führt. Anschließend folgt eine Topologieoptimierung mit orthotropem Materialmodell, die sowohl Außengestalt als auch Infill simultan optimiert. Eine Extrusionspfadgenerierung überführt Ergebnisse dann in druckbare Bauteile. Eine strukturmechanische FLM-Simulation erlaubt den Vergleich verschiedener FLM-Bauteile mit verschiedenen Infill-Mustern.
Zur Demonstration wird ein Tragwerksknoten unter zwei Lastfällen mit dem neuen Ansatz optimiert. Die entstehende Geometrie; dieselbe Geometrie, jedoch mit anderen Infill-Mustern; und eine konventionell ausgelegte Variante werden mittels FLM-Simulation verglichen. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Steifigkeitsgewinn des neuen Ansatzes gegenüber konventionellen Alternativen, der Produktentwickelnde zudem strukturiert durch den DfAM-Prozess mit seinen herausfordernden Designfreiheiten führt.
Human rights are not just another set of legal tools, norms and entitlements. Rather, they radiate the authority of „inalienable rights“, which all human beings equally possess - simply because of their humanness. This is the foundational idea.
Although human rights are a beacon of hope for numerous people in all continents, they remain politically contested in many ways. Critics have questioned the effectiveness of human rights campaigns as well as the legitimacy of promoting universal rights across political and cultural boundaries. In order to respond to critical objections, one has to tackle stereotypical misperceptions, such as the false equation of human rights with an „individualistic“ lifestyle. In fact, human rights facilitate political solidarity based on universal respect.
Unlike other introductions to human rights, which usually focus on legal standards, procedures and institutions, this book mainly explores the foundational principles, which jointly define the human rights approach: inherent dignity, freedom, equality and solidarity. The purpose is to trigger curiosity, critical questions, debates and personal discoveries.
Professor Heiner Bielefeldt teaches human rights at the Friedrich-Alexander University in Erlangen-Nurembourg. Between 2010 and 2016, he served as UN Special Rapporteur on freedom of religion or belief.
Die Mikro- und Nanomesstechnik wird vorangetrieben durch die stetigen Fortschritte der Fertigungstechnik. Die Messaufgaben für Mikro- und Nanomesssysteme sind geprägt von zunehmend sinkenden Strukturgrößen und Miniaturisierung der Merkmale bei zugleich zunehmender Dimensionalität. Hochauflösende Messinstrumente und Techniken zur Qualitätssicherung im Mikro- und Nanometerbereich erfordern sowohl quantitative, dimensionale Messungen mit Nanometergenauigkeit als auch Messungen über große Messbereiche, um die Nanotechnologie zu einer industriellen Nutzung zu führen.
Weißlichtinterferometrie und Rasterkraftmikroskopie sind zwei wichtige Messverfahren der Mikro- und Nanomesstechnik. Allerdings sind ihre Messbereiche begrenzt. Es ist von großer Bedeutung, dass die Messbereiche bis zu mehreren Millimetern erweitert werden, um die heutigen metrologischen Herausforderungen zu erfüllen. Die vorliegende Arbeit zeigt das Vorgehen für die großflächige Topografiemessung mit hoher Strukturauflösung mittels Weißlichtinterferometrie und Rasterkraftmikroskopie.
Ein Weißlichtinterferenzmikroskop wurde in die Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NMM-1) zur großflächigen Topografiemessung auch ohne Überlappungsfelder integriert. Der Messaufbau, die Einmessstrategie, die Charakterisierung der metrologischen Eigenschaften, die Korrektur von Kippungen bzw. Drehung des Sensors um die lateralen Achsen und die vertikale Achse und eine experimentelle Untersuchung zur Verifizierung der Messstrategie werden aufgezeigt.
Ein neues metrologisches Rasterkraftmikroskop für gleichzeitige Messung der Biegung, Torsion und Position des Cantilevers mit verbesserter Signalqualität, welches ebenfalls in die NMM-1 für großflächige Topografiemessungen integriert wurde, wird vorgestellt. Dabei werden der Messaufbau, die Einmessstrategie, die Charakterisierung, die Messunsicherheit und Applikationsmessungen wie Stufenhöhenmessung, Gitterabstandsbestimmung und großflächige Messungen gezeigt.
In the scope of this work, a novel joining process was developed and investigated from both an application-driven and an academic point of view. The process utilises laser radiation to melt a CuSn-braze preform, which is subsequently detached from a ceramic capillary via inert gas overpressure. After a flight phase, the braze droplet impinges on the joining interface and wets the joining partners where it forms a metallurgical bond after solidification. This process is referred to as laser drop on demand joining (LDJ). It was shown that the shear strength of the joints exceeds the strength of standard tin-based solders by a factor of two and the joints are able to withstand the temperatures and forces occurring during an Al-Casting process. In addition, an ana-lytic model was developed, enabling to quantify the absorptance and thermal energy losses by heat convection, conduction, and radiation, by measuring the time required to melt the preform.
Der Einsatz von Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)-Magneten in elektrischen Maschinen ermöglicht die Realisierung von leistungsfähigen Windkraftgeneratoren oder Antrieben moderner Elektrofahrzeuge mit hohem Wirkungsgrad und legt damit die Grundlage für die Energie- und Mobilitätswende. Aber auch in Lautsprechern, Smartphones oder Sensoren dient NdFeB dazu, die Funktionsfähigkeit der Applikation bei minimalem Bauraum zu gewährleisten. Die Herstellung von leistungsfähigen NdFeB-Magneten erfolgt industriell in pulvermetallurgischen Verfahren wie dem Sintern oder kunststoffgebunden. Dabei ist die Formgebung der Magnete mit Blick auf die Entformbarkeit eingeschränkt und die Produktion mit hohem zeitlichen Vorlauf für die Werkzeugherstellung verbunden. Die vorliegende Dissertation behandelt als alternatives Fertigungsverfahren das Laserstrahlschmelzen von Metallen im Pulverbett (PBF-LB/M), in dem die Magnete werkzeuglos und mit sehr hoher geometrischer Gestaltungsfreiheit direkt aus Pulvermaterial hergestellt werden können. Durch die erzielten Ergebnisse ist es bereits heute möglich, die magnetischen Eigenschaften bestimmter kunststoffgebundener NdFeB-Magneten auch durch additive Verfahren darzustellen. Die Forschungsergebnisse tragen darüber hinaus zur Erweiterung der geometrischen Gestaltungsfreiheit additiver Fertigungsverfahren um eine magnetische Dimension bei. Damit werden Entwickler magnetischer Kreise dazu befähigt, vollständig neue und nicht durch die Gestaltungsrichtlinien bestehender Fertigungsprozesse eingeschränkte Designvarianten zu konzipieren und innerhalb kürzester Zeit in die Realität umzusetzen. Durch die im PBF-LB/M darstellbare kurzfristige Verfügbarkeit von NdFeB-Magneten kann der Zeitpunkt im Produktentstehungszyklus, an dem die Magnetgeometrie fixiert und keine Änderungen mehr möglich sind, auf einen späten Zeitpunkt verlegt werden. Dadurch kann auf kurzfristige Änderungen an die Anforderungen der Laufeigenschaften der Maschine reagiert oder Toleranzen im Magnetkreis kompensiert werden.
Der Einsatz von an Schweißrobotern angebrachten, pneumatisch betätigten Spannrollen ermöglicht eine Steigerung der Flexibilität beim Remote-Laserstrahlschweißen im Karosseriebau. Dabei stellen die Auslegung der Spannkräfte, der Fügevorrichtungen und der fertigungsgerechten Bauteiltoleranzen eine Herausforderung dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Spann- und Fügeprozess des Remote-Laserstrahlschweißens mit Einsatz einer Spannrolle untersucht. Die Untersuchung erfolgte experimentell und simulativ für Blechformteile aus Stahl und Aluminium sowie für Aluminiumgussbauteile. Zur simulativen Untersuchung wurden validierte Finite-Elemente Simulationsmodelle erarbeitet, die erstmalig den Einsatz einer flexiblen Spannrolle im Karosseriebau abbilden. Die Simulationsmodelle ermöglichen die Berechnung von Spannprozessen auf drei Arten: weggesteuert mit vollständiger Vorgabe der Rollenbewegung, kraftgesteuert mit Vorgabe eines Spannkraftverlaufs und kraftgeregelt mit Vorgabe gewünschter resultierender Fügespalte. Auf Basis der Untersuchungen wurden prozess- und bauteilseitige Maßnahmen zur Reduktion erforderlicher Spannkräfte und resultierender Fügespalte identifiziert und ein grundlegendes Prozessverständnis für den neuartigen Fertigungsprozess aufgebaut.
Mit Lichtsignalen in optischen Wellenleitern lassen sich schnell und weitgehend störungsfrei sehr große Datenmengen übertragen. Im industriellen und infrastrukturellen Bereich, z.B. in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, steigt daher die Nachfrage, dieses Potential weiter auszuschöpfen. Wie müssen Entwicklungsprozesse aussehen, um Systeme, die Daten mittels Licht übertragen, zu integrieren? Dies ist eine zentrale Frage an die aktuelle Forschung. Bisher existiert kein Modellierungsansatz für die Konstruktion optomechatronischer Baugruppen. Die Integration optoelektronischer Komponenten stellt eine enorme Herausforderung dar, da neben den Unterschieden der Konstruktionsverfahren für mechatronische Baugruppen auch optische Funktionen modelliert werden müssen.
Diese Arbeit behandelt den konzeptionellen Entwurf eines Systems zur rechnergestützten Entwicklung optomechatronischer Baugruppen, sogenannten 3D-Opto-MIDs. Ziel der Arbeit ist es, das Zusammenwirken der Domänen Mechanik, Elektronik und Optik in einem ganzheitlichen Produktentwicklungsprozess darzustellen. Dazu müssen Aufgaben wie die Integration von elektrischen Schaltungen, als auch Funktionalitäten zum Entwurf optischer Netze abgedeckt werden. Hierfür ist es zunächst notwendig relevante Teilaspekte und zu realisierende Komponenten eines solchen Systems zu identifizieren. Aus diesen Erkenntnissen wird ein Konzept erarbeitet, wie der prozedurale Ablauf eines entsprechenden Systems aussehen kann. Durch eine prototypische Implementierung wird eine Vorgehensweise zum Aufbau des optomechatronischen Konstruktionssystems abschließend abgeleitet und bewertet.
Sports analytics research has major impact on the development of innovative training methods and the broadcast of sports events. This dissertation provides algorithms for both kinematic analysis and performance interpretation based on unobtrusively obtained measurements from wearable sensors. Its main focus is set on the processing of 3D-orientation features and the exploration of their potential for sports analytics. The proposed algorithms are described and evaluated in five exemplary sports. In scuba diving, rowing and ski jumping, the 3D-orientation of the body/boat/skis is determined and further processed to analyze and visualize the motion behavior. In snowboarding and skateboarding, the board orientation is calculated and processed for motion visualization and machine learning. Board sport tricks are automatically detected and subsequently classified for trick category and type. The methods of this work were already partially applied for TV broadcast of international competitions (e.g., Olympics 2018). Additionally, they can support sports science research for establishing thorough investigations and innovative training methods.