Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Herstellung von Fabry-Pérot Interferometern (FPI) für die spektrale Analyse von Gasen und Flüssigkeiten. Die FPI werden miniaturisiert mittels Siliziumtechnologie hergestellt und ermöglichen kleine Mikrospektrometer mit hohem Auflösungsvermögen. Die vorliegende Dissertation untersucht Technologie- und Herstellungskonzepte für den sichtbaren (VIS) und infraroten (IR) Spektralbereich mit jeweils unterschiedlichen Reflektorkonzepten. Im VIS-Spektralbereich erfolgt neben der Entwicklung von Bragg-Reflektoren auch die Betrachtung von strukturierten, dielektrischen Membrangittern und strukturierten Metallgittern auf dielektrischen Membranen für eine Einsatzmöglichkeit im FPI. Dabei wird ebenfalls die Entwicklung einer Herstellungs- und Strukturierungstechnologie für hochbrechendes Titandioxid durchgeführt, um einen Bragg-Reflektor mit höheren Brechzahlkontrast zu realisieren. Im IR-Spektralbereich stellen drei Bragg-Reflektorvarianten aus polykristallinem Silizium und Luft den Inhalt dieser Dissertation dar. Die hergestellten Reflektoren werden hinsichtlich ihrer Funktion messtechnisch charakterisiert und die Strukturintegration in einem FPI und Etalon anhand von ausgewählten Reflektoren vorgestellt.

Im Kampf gegen den Klimawandel nehmen Wasserstofftechnologien eine zentrale Rolle ein. Jedoch stellt dieses Feld für viele Unternehmen und Institutionen noch Neuland dar. Deshalb unterstützen die Fraunhofer Institute IWU und IMWS den Einstieg mit einer Kompetenzplattform für angewandte Wasserstofftechnologien, die vom Hydrogen Lab Görlitz koordiniert wird. In diesem Beitrag eruieren wir, wer von dieser Plattform in Zukunft profitieren wird, welche Wünsche die Nutzer haben und wie man diese umsetzen könnte. Das Rückgrat dieser Plattform bilden: i) ein Datenraum, der mit Mess- und Simulationsergebnissen gespeist wird und als Basis für Digitalisierungsprojekte dient; ii) ein Wissensraum der notwendige Kompetenzen auf allen Niveaus vermittelt; iii) Werkzeuge zur technischen und ökonomischen Planung von Wasserstoffanlagen und zur Entscheidungsfindung bei strategischen Fragen. Des Weiteren ist eine intelligente Karte angedacht, die Angebote und Bedarfe an Wasserstoff, Produkten, Dienstleistungen und Kooperationen im Bereich Wasserstoff visualisiert. Zuletzt wird der zeitliche Horizont der Umsetzung diskutiert. / Hydrogen technologies play a central role in the fight against climate change. However, this field still represents uncharted territory for many companies and institutions. Therefore, the Fraunhofer Institutes IWU and IMWS support the entry with a competence platform for applied hydrogen technologies, which is coordinated by the Hydrogen Lab Görlitz. In this article, we elicit who will benefit from this platform in the future, what the users' wishes are and how they could be implemented. The backbone of this platform is: i) a data space fed with measurement and simulation results and serving as a basis for digitization projects; ii) a knowledge space providing necessary competences on all levels; iii) tools for technical and economic planning of hydrogen plants and for decision making on strategic issues. Furthermore, an intelligent map is envisaged that visualizes offers and needs for hydrogen, products, services and cooperations in the field of hydrogen. Finally, the time horizon of the implementation is discussed.

The interaction between fluids and structures, which is an interdisciplinary problem, has gained importance in a wide range of scientific and engineering applications. Thanks to new advances in computer technology, the numerical analysis of multiphysics phenomena has aroused growing interest. Fluid-structure interactions have been numerically and experimentally studied by many researchers and published by several books, papers, and review papers. Hou et al. (2012) [3] have also published a review paper entitled “Numerical methods for fluid-structure interaction”, which provides useful knowledge about different approaches for FSI analysis. The key challenge encountered in any numerical FSI analysis is the coupling between the two independent domains with clear distinctions. For example, a structure domain requires discretizing by a Lagrangian mesh where the mesh is fixed to the mass and follows the mass motion. In fact, the Lagrangian mesh is able to deform and follows an individual structural mass as it moves through space and time. Nonetheless, the fluid mesh remains intact within the space, where the fluid flows as time passes. The numerical approaches with regard to FSI phenomena can be divided into two main categories, namely the monolithic approach and the partitioned approach. In the former, a single system equation for the whole problem is solved simultaneously by a unified algorithm; however, in the latter, the fluid and the structure are discretized with their proper mesh and solved separately by different numerical algorithms. When a fluid flow interacts with a structure, the pressure load arising from the fluid flow is exerted on the structure, followed by deformations, stresses, and strains of the structure. Depending on the resulting deformation and the rate of the variations, a one-way or two-way coupling analysis can be conducted. Fluid-structure interaction (FSI) is characterized by the interaction of some movable or deformable structure with an internal or surrounding fluid flow. In a fluid-structure interaction (FSI), the laws that describe fluid dynamics and structural mechanics are coupled. There is also another classification for FSI problems on the basis of mesh methods: conforming methods and non-conforming methods. In the first method, the interface condition is regarded as a physical boundary (interface boundary) moving during the solution time, which imposes the mesh for the fluid domain to be updated in conformity with the new position for the interface. In contrast, the implementation of the second method eliminates a need for the fluid mesh update on the account of the fact that the interface requirement is enforced by constraints on the system equations instead of the physical boundary motion. In this work, we study numerically and experimentally the fluid-structure interaction comprising a flexible slender shaped structure, free surface flow and potentially interacting rigid structures, categorized in flood protection applications, whereas more emphasis is given to numerical analysis. Objectives of this study are defined in detail as follows: The initial aim is the numerical analysis of the behavior of a down-scale membrane loaded by hydrostatic pressures, where the numerical results have to be validated against available experimental data. A further case which has to be investigated is how the full scale flexible flood barrier behaves when approached and impacted by an accelerated massive flotsam. The numerical model has to be built so as to replicate the same physical phenomenon investigated experimentally. It enables a comparison between the numerical and experimental analyses to be drawn. A more complicated case where the flexible down-scale membrane interacts with a propagated water wave is a further target area to study. Moreover, an experimental investigation is required to validate the numerical results by way of comparison. The ultimate goal is to perform a similitude analysis upon which a correlation between the full-scale prototype and the down-scale model can be formed. The implementation of the similarity laws enables the behavior of the full scale prototype to be quantitatively assessed on the basis of the available data for the down-scale model. In addition, in order to validate the accuracy of the similitude analysis, numerical analyses have to be carried out.:Contents Zusammenfassung I ABSTRACT IV Nomenclature X 1 Introduction 1 1.1 Work overview 2 1.2 Literature review 3 1.2.1 The non-conforming methods 6 1.2.2 The conforming (partitioned) approaches 11 1.2.2.1 Interface data transfer 16 1.2.2.2 Accuracy, stability and efficiency 16 1.2.2.3 Modification of interface conditions: Robin transmission conditions 18 1.3 Concluding remarks 19 2 Methodology-numerical methods for fluid-structure interaction analysis (FSI) 20 2.1 Single FV framework 21 2.1.1 The prism layer mesher 24 2.1.2 Turbulence modeling 24 2.2 Preparation of the standalone Abaqus model 27 2.2.1 Damping by bulk viscosity 28 2.2.2 Coulomb friction damping 29 2.2.3 Rayleigh damping 29 2.2.4 Determination of the Rayleigh damping parameters based on the Chowdhury procedure 29 2.2.5 The frequency response function (FRF) measurement 30 2.2.6 The half-power bandwidth method 31 2.3 Explicit partitioned coupling 33 2.4 Implicit partitioned coupling 39 2.5 Overset mesh 40 2.6 Concluding remarks 42 3 Verification and validation of the structural model 44 3.1 Numerical model setup of the down-scale membrane 44 3.2 Comparing similarity between numerical and experimental results 46 3.2.1 Hypothesis test terminology 46 3.2.2 Curve fitting 47 3.2.3 Similarity measures between two curves 48 3.3 Results (down-scale membrane) 52 3.3.1 Similarity tests for the contact length 54 3.3.2 Similarity tests for the slope 58 3.3.3 Similarity tests for the displacement in Y direction 60 3.4 Concluding remarks 63 4 Numerical model setup of the original membrane for impact analysis 66 4.1 Structure domain 67 4.2 Fluid domain 72 4.2.1 Standard mesh and results 74 4.2.2 Overset mesh 80 4.3 Co-simulation model setup and results 88 4.4 Concluding remarks 96 5 Numerical wave generation 100 5.1 Theoretical estimation of the waves 107 5.2 Numerical wave tank setup 110 5.3 Results 114 5.4 Concluding remarks 119 6 Validity of the model with dynamic pressure 121 6.1 Wave tank 123 6.2 Structure domain 127 6.3 Fluid domain 130 6.4 Co-simulation model setup 136 6.5 Experimental approach 137 6.6 Results 141 6.6.1 Similarity tests for the displacement of the membrane in X direction 156 6.6.2 Similarity tests for the displacement of the membrane in Y direction 160 6.6.3 Similarity tests for the displacement of the membrane in Z direction 164 6.7 Concluding remarks 168 7 Similarity 171 7.1 Motivation 171 7.2 Governing equations 174 7.3 Buckingham Pi theorem 175 7.4 Dimensionless numbers 175 Similitude requirement 177 7.5 Simulation setup 178 7.6 Results 179 7.7 Concluding remarks 191 8 Summary, conclusions and outlook 192 List of figures 199 List of tables 209 References 210

Steigende Leichtbauanforderungen führten in den vergangenen Jahren zu einer verstärkten Weiterentwicklung neuer Leichtbauwerkstoffe und besonders leistungsfähiger Verfahrenstechnik für die Umsetzung leichter Automobilkomponenten in Großserie. Im Fahrzeuginterieur konnten sich naturfaserverstärkte Kunststoffe erfolgreich etablieren, die in Form flächiger Wirrfaserhalbzeuge zu formgepressten Verkleidungselementen verarbeitet werden. Für die Auslegung derartiger Verkleidungsbauteile ist eine monolithische Leichtbauweise charakteristisch, bei der zur Gewährleistung erforderlicher mechanischer Eigenschaften die minimalen Halbzeugflächenmassen bauteilabhängig im Bereich 1200–1400 g/m2 liegen. Zur Erschließung weiterer Leichtbaupotenziale stellt die Anwendung der Sandwichverbundbauweise eine aussichtsreiche Leichtbaustrategie dar, die aufgrund des Fehlens anforderungsgerechter Materialkonzepte bisher kaum Berücksichtigung fand. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines ganzheitlichen Leichtbaukonzepts in neuartiger Sandwichbauweise, welches die Anforderungen hinsichtlich der Formgebung und Bauteilstabilität erfüllt und eine signifikante Reduktion der Flächenmasse unter 1000 g/m2 gestattet. Die verfahrenstechnische Grundlage bildet eine neuartige durchgängige Prozesskette, wobei leichte Naturfaser-Polypropylen-Hybridvliesstoffe in Kombination mit einer Kunststoffschaumfolie in einem kontinuierlichen Prozess zu einem Sandwichhalbzeug und anschließend in automatisiertem Formpressverfahren zu einem komplex geformten Bauteil verarbeitet werden. Durch eine umfangreiche Charakterisierung der einzelnen Prozessschritte entlang der gesamten Prozesskette werden in zugehörigen Sensitivitätsanalysen optimale Fertigungsparameter ermittelt und bei der Herstellung eines Technologiedemonstrators validiert. Darüber hinaus wird am Beispiel dieses Technologiedemonstrators erstmalig ein integrativer Simulationsansatz erarbeitet, der umformbedingte lokale Änderungen der Flächenmasse und der resultierenden Werkstoffkennwerte bei der numerischen Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse berücksichtigt. Abschließend erfolgt im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung die Beurteilung potenzieller Umweltwirkungen der entwickelten Sandwichverbundtechnologie sowie die Untersuchung einer verfahrenstechnischen Lösung zur stofflichen Wiederverwertung von Produktionsreststoffen und Altbauteilen.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung / Rising lightweight requirements have led in recent years to an intensified development of new lightweight materials and high-performance processing technologies for the implementation of lightweight automotive components in a large scale production. For trim parts in the automotive interior, natural fiber-reinforced plastics in the form of nonwovens, are successfully established. To fullfill the mechanical requirements, the most common design of such parts is monolithical with an component specific area weight of the semi-finished products between 1200–1400 g/m2. A promising strategy for generating further lightweight potentials are sandwich constructions, which are currently rarely used in the automotive interior, due to the lack of suitable material concepts. The aim of this work is the development of a new sandwich-based lightweight concept, that fullfills the requirements in terms of formability and component stability, by permitting a weight reduction of the semi-finished product below 1000 g/m 2 at the same time. The part production is based on a novel process chain, where light NF-PP hybrid nonwovens are continuously processed with a polymeric foam foil to a semi-finished product, that is formed afterwards to complex parts in a compression molding process. The optimal processing parameters along the entire process chain are determined by sensitivity analyses, and validated by a technology demonstrator. In addition, the technology demonstrator will be used for the development of a novel simulation approach, where local changes of the area weight in the forming process and the resulting material properties are taken into account for a numerical analysis of stiffness and strength. Finally the potential environmental impact of the new sandwich-based lightweight technology and a possible method for material recycling are investigated.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung

Die bisherigen Untersuchungen zum Thema Nachhaltigkeit und Energieeffizienz konzentrierten sich nicht auf die speziellen Anforderungen einer Fahrzeugmontage. Bei der Neuplanung einer Fahrzeugmontage spielte bisher die Energieeffizienz ei-ne untergeordnete Rolle. Mit der zunehmenden Bedeutung von Nachhaltigkeit und der Energieeffizienz in Politik und Öffentlichkeit wachsen auch diesbezüglich die Erwartungen an die Automobilindustrie. Aus diesem Grund wurden ganzheitliche Ansätze und Methoden entwickelt, um einen Neubau eines Fahrzeugwerkes, im Speziellen die Fahrzeugmontage, energieeffizient und nachhaltig zu gestalten. Die Nutzung von natürlichen Ressourcen stand hierbei im Vordergrund. Der Einsatz von fossilen Energien sollte hierbei weitestgehend vermieden werden. Beginnend mit der Standortauswahl über die Festlegung der Werksstruktur sowie der Fahr-zeugmontage- und Logistikstruktur wurden hier die wichtigsten Bereiche der Fab-rikplanung abgedeckt. Zusätzlich wurde noch die Gebäudekonstruktion unter den Prämissen der Energieeffizienz untersucht.:Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis VII Abkürzungsverzeichnis VIII Definitionen XI Vorwort XIII 1 Einleitung 1 1.1 Endliche Ressourcen und Energieeffizienz 4 1.2 Aufbau der Arbeit 7 1.3 Politischer und gesellschaftlicher Stellenwert der Energieeffizienz 10 1.4 Stand der Wissenschaft 15 1.5 Abgrenzung des Betrachtungsrahmens 18 2 Grundlagen 22 2.1 9+1 Verschwendungsarten im industriellen Sektor 22 2.2 Energieverbrauchsstruktur der Fahrzeugmontage 26 2.3 Fabrikplanung 30 2.3.1 Aufgaben und Ziele der Fabrikplanung 31 2.3.2 Der Fabriklebenszyklus 32 2.3.3 Planungsphasen 34 2.4 Allgemeine Struktur eines Automobilwerkes 36 2.4.1 Technologie Presswerk 37 2.4.2 Technologie Karosseriebau 38 2.4.3 Technologie Lackiererei 39 2.4.4 Technologie Montage 40 2.4.5 Montage-Logistik 42 2.5 Gesetze und Normen 46 2.5.1 Das Energieeinsparungsgesetz (EnEG) 47 2.5.2 EU-Richtlinie und Energieeinsparverordnung (EnEV) 48 2.5.3 Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) 50 2.5.4 Stromsteuergesetz (StromStG) 53 2.5.5 DIN ISO 50001 - Energiemanagementsysteme 55 2.6 EMAS – Eco-Management and Audit Scheme 57 2.7 Gebäudestandards zur Nachhaltigkeit 58 3 Planungsprämissen Werksneubau 62 3.1 Standortauswahl 62 3.1.1 Drei-Phasen-Auswahlprozess 63 3.1.2 Die Standortfaktoren 66 3.1.3 Die Trinkwasserverfügbarkeit 67 3.1.4 Die Umweltrahmenbedingungen 70 3.1.5 Der Klimaeinfluss 75 3.2 Werksstruktur / Gebäudestruktur 85 3.2.1 Werksstrukturlayout 85 3.2.2 Montagestrukturlayout 98 3.2.3 Logistikstrukturlayout (Montage) 108 3.3 Gebäudekonstruktion 115 3.3.1 Materialien 117 3.3.2 Dachformen und Belichtung 121 4 Energiemanagement und Verbrauchsmonitoring 130 4.1 Versorgungskonzepte 130 4.2 Energiebeschaffung und Preiszusammensetzung 131 4.3 Effiziente und nachhaltige Energienutzung 138 5 Wichtigste Ergebnisse und Empfehlungen 143 5.1 Die wichtigsten Ergebnisse 143 5.2 Empfehlungen 145 6 Quellenverzeichnis 148 6.1 Literaturverzeichnis 148 6.2 Verzeichnis der Internetquellen 151 6.3 Verzeichnis der Gesetze und Normen 156 6.4 Verzeichnis der Diplom- und Masterarbeiten 158 6.5 Gesprächsverzeichnis 159 Eidesstattliche Erklärung 174

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Spritzgießwerkzeug mit einem neuartigen Mehrschichtverbundheizsystem zur dynamischen Temperierung entwickelt und umgesetzt. Dabei wurde das ausgewählte Heiz‐ und Kühlsystem unter theoretischen und praktischen Gesichtspunkten betrachtet und für den variothermen Fertigungsprozess verifiziert. Aus den ersten durchgeführten praktischen Versuchen zeigte sich, dass dieses Heizsystem zur dynamischen Temperierung von Formwerkzeugen geeignet ist. Anschließend wurden mit dem realisierten Spritzgießwerkzeug Versuchskörper mit spezieller Oberflächenstrukturierung und variierenden Werkzeugwandtemperaturen angefertigt und untersucht. Ziel war es, über diese Strukturierung eine Beeinflussung der Glasfaserverteilung im Formteilrandbereich zu erreichen und die tribologischen Eigenschaften bei Kunststoff‐Kunststoff‐Gleitpaarungen hinsichtlich Reibung und Verschleiß zu verbessern. Mit einer kleinen Auswahl an Strukturen und entsprechenden thermoplastischen Polymermaterialien wurden praktische Versuche zur tribologischen Prüfung durchgeführt. / In the present work an injection mould was developed and implemented with a novel multilayer composite heating system for dynamic temperature control. Here the selected heating and cooling system was considered from a theoretical and practical point of view and verified for the variothermal manufacturing process. The first practical tests showed that this heating system is suitable for the dynamic temperature control of tools. Subsequently, with this injection mould, test specimens with a special surface structure and varying mould wall temperatures were produced and examined. The aim was to achieve through this structuring an impact on the distribution of glass fibres in the edge region of mouldings and improve the tribological properties of plastic‐plastic‐pairings in terms of friction and wear. With a small selection of structures and corresponding thermoplastic polymeric materials practical experiments for tribological testing were performed.

Getrieben von einem weltweit zunehmenden Kostendruck sind insbesondere die produzierenden Unternehmen im kmU-Bereich angehalten, ihre Geschäftsprozesse insbesondere in der Fertigung, Montage und Logistik effizienter, flexibler und kürzer zu gestalten. Als wesentlicher Faktor dafür gilt die rationelle, schnelle und echtzeitnahe Erfassung, Aufbereitung, Weiterleitung und Speicherung der Ressource Information, insbesondere für eine operative Produktionsablaufsteuerung und - überwachung. Mit der Nutzung der Transpondertechnologie (bzw. RFIDTechnologie) zur Gestaltung eines hocheffektiven und kostengünstigen Informationsflusses in den Produktions- und Logistikabläufen besteht dafür ein hohes zukunftsträchtiges Potenzial, welches es praxisrelevant aufzubereiten und zu überführen gilt. Mit der Integration dieser Technologie in die Prozesssteuerung bzw. in ihre Abläufe wird die Eigenschaft genutzt, Zustands- und Prozessdaten zeitkonform zu erkennen, bewerten, aktualisieren und sie wieder an Objekte mit ausgestattetem Transponder zu übertragen, um operativ auf die Prozesse Einfluss nehmen zu können. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse und die in hohem Maße gemeinsam mit der Praxis erzielten Forschungsinhalte entstanden aus einem gemeinsam mit dem Fachgebiet Logistik der Universität Dortmund (Prof. Dr.-Ing. R. Jansen, MSc St. Harms, Dipl.-Ing. M. Finger, Dipl.-Kfm. J. Schmidt, Dr.-Ing. B. Bohl ) erarbeiteten und von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) geförderten Vorhaben Integration der Transpondertechnologie zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der operativen Produktionssteuerung (ITELOP). Die AiF- Vorhaben- Nr. lautet: ZUTECH 65 ZBG / 1. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes münden in einen internetbasierten Leitfaden, in welchem auf Basis der Planungsmethodik die Schritte zur Neuplanung eines RFID-Systems - wahlweise zur Produkt- oder Ladungsträgeridentifikation aufbereitet und gestaltet werden (http://www.tu-chemnitz.de/mb/InstBF/ITELOP).

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