In den letzten 20 Jahren näherte sich der einst nur für die Luft- und Raumfahrt entwickelte kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) mehr und mehr der industriellen Umsetzung in anderen Bereichen an. Die CFK-Halbzeuge und -Bauteile sind nun auch preislich in der Lage, unter Anwendung angepasster Fertigungsverfahren breiter eingesetzt zu werden. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich exemplarisch auf die kosten- und energieeffiziente Herstellung von schnell laufenden CFK-Verbundwalzen und soll aufzeigen, dass Kostenersparnisse über Leane Fertigungsmethoden auch in der FKV-Industrie von großem Vorteil sind. Somit liefert diese Dissertationsschrift einen beispielgebenden Beitrag für den Durchbruch von Faserverbund-werkstoffen im industriellen Bereich. Darüber hinaus werden durch Prozessoptimierung Alternativen aufgezeigt, qualitativ hochwertigere und gleichsam kosteneffiziente Bauteile herzustellen.:1 Einleitung 6 2 Motivation und Zielsetzung 7 3 Entwicklung der Rohstoffkosten 12 3.1 Abhängigkeit vom Rohöl 13 3.2 Preisentwicklung von Stahl 13 3.3 Preisentwicklung von Kohlenstofffaser im Vergleich zu Stahl 14 3.4 Automatisierung 15 4 Selektion des Untersuchungsgegenstandes 17 4.1 Typenauswahl für die Untersuchung 17 4.2 Belastung und Geometrie 19 4.3 Verwendete Rohstoffe 22 4.3.1 Fasern 22 4.3.2 Matrix-System 24 4.4 Hygrothermische Eigenspannungen 29 4.5 Berechnung der Laminatstruktur 32 4.6 Wettbewerbsvorteil und Routine 34 4.7 Das schlanke Produktionskonzept „Lean“ 37 5 Allgemeine Anforderungen an den Prozess 40 5.1 Kernkompetenz und Fertigungstiefe 40 5.2 Prozessbeschreibung 40 5.2.1 Sektionen 41 5.2.2 Auswuchten 74 5.3 Qualität 75 5.3.1 Total Quality Management 75 5.3.2 Prozessintegrierte Qualitätssicherungsverfahren 78 5.4 Der konventionelle Prozess 80 5.4.1 Untersuchte Fertigungsart 80 5.4.2 Materialfluss 81 5.5 Analyse des konventionellen Prozesses 82 5.5.1 Herstellkosten 82 5.5.2 Lernkurve 86 6 Der Leane Ansatz in der Composite-Fertigung 88 6.1 Zielstellung 88 6.2 Lean Prozess in der Umsetzung der Sektionen 88 6.2.1 Störfunktion „Doppelwickeln“ 89 6.2.2 Sektionen 91 6.3 Kostenanalyse 101 7 Zusammenfassung und Ausblick 102 8 Verzeichnisse 104 8.1 Literatur- und Quellenverzeichnis 104 8.2 Abbildungsverzeichnis 113 8.3 Tabellenverzeichnis 116 8.4 Zitierte Patente 116 9 Anhang 117

The doctoral thesis deals with the analysis of the flow in the circular and not circular cross-section pipes by methods using the distribution of the vorticity density. This analysis is particularly focused on the derivation of the new velocity profiles formulas using the above mentioned method. In this work is presented a historical overview of the derived velocity profiles. This overview of already derived velocity profiles will be a fundamental benchmark for newly derived velocity profiles. These new velocity profiles are derived for the circular and not circular cross-section pipes and the derivation is based on the analogy of electromagnetic induction by using Biot-Savart law. It is necessary to apply this analogy at first on solitary vortex filament. By taking this step is possible to get the value of the induced velocity from one solitary vortex filament. Subsequently it is possible to obtain the value of the induced velocity from the vorticity wall and afterwards from the vorticity density distribution over the cross section. This work contains also the results of the experimental measurements of the velocity profiles, and of the CFD simulations. Experimentally measured results are used besides other for the selecting of the most suitable CFD computational model. Selected CFD model will be subsequently declared as a reference model and the valid velocity profiles for this model will serve with the experimentally measured data as a benchmark for the newly derived velocity profiles.

Ces travaux concerne le développement de capteurs/effecteurs piézoélectrique et pyroélectrique de faible diamètre intégrable dans des structures textiles par exemple les tissus, ce qui permet soit d’avoir différentes informations sur le comportement mécanique et de température de ces structures (piézoélectricité directe) ou bien de changer les propriétés mécaniques de ces structures (piézoélectricité inverse), ce qui permettrait d’avoir des tissus à contention variable.A ce jour, sur le marché il n’existe pas de capteurs/effecteurs filamentaires piézoélectriques et/ou pyroélectriques flexibles de faibles diamètres intégrables dans les structures textiles. Les instrumentations des structures textiles qui existent se font par le biais de filaments résistifs agissant comme résistances entrecroisées qui permettent seulement d’avoir une information sur la localisation d’une pression sur ces structures textiles. Le but ces travaux est de remédier aux inconvénients des procédés connus ci-dessus. Ce but est atteint grâce à la fabrication de câbles filamentaires à l’aide d’un procédé de filage par voie fondue.Ces composites filamentaires sont caractérisé puis polariser avant de les introduire dans différents textiles par exemple les tissus, ce qui permet soit d’avoir différentes informations sur le comportement mécanique et de température de ces structures (capteurs de déformations et de température) ou bien de changer leurs propriétés mécaniques (effecteurs).Ces travaux ont été brevetés par la cellule Conectus Alsace et ils ont été sélectionnés pour le second prix International Théophile Legrand de l’innovation textile 2012. / The objective of this work is the development of composite filaments with piezoelectric and pyroelectric properties. These composite filaments will be used as sensors or effectors into textile structures (e.g weaving structures). The instrumentation of textile structures with piezoelectric composite filaments (sensors) will give information about the deformations of these structures when they are submitted to stresses. If we focus on the pyroelectric properties, this integration will allow detection of temperature variation of the operating environment. By using inverse piezoelectricity (effectors), we could change mechanical properties of textiles structures. The decision to develop this type of composites filaments was take due to the literature review which shows that composite filamentous sensors or effectors does not exist commercially. The objective of this work was achieved through the development of ferroelectric composite filament by using a melt spinning process. These composite was constituted by a portion of ferroelectric copolymer P(VDF-TrFE), an inner conductive core acting as an inner electrode and an outer conductive layer serving as an outer electrode These composite filaments were characterized with mechanical and rheological tests before being polarized by an alternating field. Then we integrate them into weaving structures using an industrial weaving machine. The result of the stressing of this structure was a variation of the field across the composite electrodes This work has been patented with the help of Conectus Alsace and it was selected for the second International Award Théophile Legrand for Textile Innovation 2012.

La technique du tissage consiste à créer un entrecroisement de fils perpendiculaires entre eux. Pour cela, il est nécessaire d'insérer un fil de trame à travers une nappe de fils de chaîne parallèles. L'étape de formation de la foule, consistant à séparer la nappe de chaîne pour libérer un espace d'insertion, est vecteur d'interactions interfilamentaires et de dommages induits dans la structure filamentaire. Un tel phénomène, rapporté au tissage de renforts de matériaux composites produit des dégradations de structure importantes et une diminution sensible des propriétés mécaniques du produit fini. Dans le contexte de la croissance du marché des matériaux composites haute performance à renforts tissés, il est nécessaire d'améliorer puis de maîtriser le procédé de tissage. Ainsi, pour optimiser le tissage d'étoffes multicouches à haute densité, nous disposons d’une machine Jacquard. Il s'agit d'une technique qui permet un pilotage individuel motorisé des fils de chaîne et qui offre des paramètres de foule particuliers. Le but de ces travaux sont d'étudier ces paramètres d'une part et de définir et analyser leurs effets sur le processus de tissage par ailleurs. Nous utilisons pour ces travaux du polyester multifilamentaire, ainsi qu'un dispositif de tissage particulier adapté au tissage technique multicouches. Nous constatons que le tissage multicouches de forte densité génère de nombreux frottements interfilamentaires qui dégradent les fils en provoquant de la fibrillation. L'observation de l'évolution de ce phénomène selon les différents paramètres Jacquard, permet tout d'abord de mieux le comprendre et le cerner. Elle permet ensuite de déterminer les configurations de tissage optimales pour assurer la qualité du tissage de renforts tissés. / Weaving basic structure is an orthogonally interlaced yarns plane, produced thanks to weft insertion across parallel warp yarns. Shedding is a major step for shed generation by warp yarns separation. Shedding may generate warp yarns interactions and yarn structure degradations because of density. Such a phenomenon becomes major with composite high density woven reinforcement where degradations and final product mechanical properties loss may become considerable. With high performance composites market growth, weaving process needs to be improved.A Jacquard shedding mechanism has been employed for high density multilayer woven fabric weaving optimization, as this technique enables warp yarns individual motorized driving with very particular shedding parameters. In this research, Jacquard shedding parameters have been studied so that their effects on the weaving process may be brought to light, with a specific weaving machine dedicated to multilayer weaving, where polyester multifilament yarns are used.It has been observed that high density multilayer weaving produces friction and many degradations during shedding between filaments because of the fibrillation phenomenon. Fibrillation has been examined and understood thanks to the observation of its evolution according to Jacquard shedding parameters. It has been the basis for optimal weaving parameter configurations which may be used for woven reinforcements composites quality improvement.

La mise ne oeuvre par voie liquide de matériaux composites à matrice d'alliage de titane renforcés par des filaments de carbure de silicium conduit, malgré la rapidité du procédé utilisé pour enduire les filaments par l'alliage liquide, à d'importantes interactions physico-chimiques au niveau des interfaces formées.<br />Ces interactions entre le revêtement de carbone des filaments et le titane liquide contrôlent en particulier la cinétique de mouillage du filament et les transferts de carbone du filament vers la matrice.<br />Des modèles, confirmés par des observations et analyses microscopiques, ont permis de comprendre les mécanismes mis en jeu au cours du procédé d'élaboration et en particulier de la solidifications. <br />Il est apparu que le dépôt par voie chimique réactive de carbure de titane sur le revêtement de carbone du filament de carbure de silicium était un moyen efficace pour favoriser le mouillage du filament par l'alliage de titane liquide et pour contrôler non seulement les transferts de carbone mais aussi les conditions d'obtention de composites filamentaires correspondant aux spécifications attendues.

Three novel mutations (G159D, L29Q and E59D/D75Y) in cardiac troponin C (CTnC) associate their clinical outcomes with a given cardiomyopathy. Current paradigms propose that sarcomeric mutations associated with dilated cardiomyopathy (DCM) decrease the myofilament calcium sensitivity while those associated with hypertrophic (HCM) cardiomyopathy increase it. Therefore, we incorporated the mutant CTnCs into skinned cardiac muscle in order to determine if their effects on the calcium regulation of tension and ATPase activity coincide with the current paradigms and phenotypic outcomes. This required the development of new calculator programs to solve complex ionic equilibria to more accurately buffer and expand the free calcium range of our test solutions. In accordance with the DCM paradigms, our result show that G159D and E59D/D75Y CTnC decrease the myofilament calcium sensitivity and force generating capabilities which would likely increase the rate of muscle relaxation and weaken the contractile force of the myocardium. Alternatively, the lack of myofilament change from L29Q CTnC (associated with HCM) may explain why the only proband is seemingly unaffected. Notably, the changes in the calcium sensitivity of tension (in fibers) do not necessarily occur in the isolated CTnC and vice versa. These counter-intuitive findings are justified through a transition in calcium affinity occurring at the level of cardiac troponin (CTn) and higher, implying that the true effects of these mutations become apparent as the hierarchal level of the myofilament increases. Despite these limitations, the regulated thin filament (RTF) retains its role as the calcium regulatory unit and best indicates a mutation's ability to sensitize (+) or desensitize (-) the muscle to calcium. Since multiple forms of cardiomyopathies exist, the identification of new drugs that sensitize (+) or desensitize (-) the calcium sensitivity could potentially reverse (+ or -) these aberrant changes in myofilament sensitivity. Therefore, we have developed an RTF mediated High Throughput Screening assay to identify compounds in libraries of molecules that can specifically modulate the calcium sensitivity of cardiac contraction. The knowledge gained from these studies will help us and others to uncover new pharmacological agents for the investigation and treatments of cardiomyopathies, hypertension and other forms of cardiovascular diseases.

In the present work, we discuss two subjects related to the nonequilibrium dynamics of polymers or biological filaments adsorbed to two-dimensional substrates. <br><br> The first part is dedicated to thermally activated dynamics of polymers on structured substrates in the presence or absence of a driving force. The structured substrate is represented by double-well or periodic potentials. We consider both homogeneous and point driving forces. Point-like driving forces can be realized in single molecule manipulation by atomic force microscopy tips. Uniform driving forces can be generated by hydrodynamic flow or by electric fields for charged polymers. <br><br> In the second part, we consider collective filament motion in motility assays for motor proteins, where filaments glide over a motor-coated substrate. The model for the simulation of the filament dynamics contains interactive deformable filaments that move under the influence of forces from molecular motors and thermal noise. Motor tails are attached to the substrate and modeled as flexible polymers (entropic springs), motor heads perform a directed walk with a given force-velocity relation. We study the collective filament dynamics and pattern formation as a function of the motor and filament density, the force-velocity characteristics, the detachment rate of motor proteins and the filament interaction. In particular, the formation and statistics of filament patterns such as nematic ordering due to motor activity or clusters due to blocking effects are investigated. Our results are experimentally accessible and possible experimental realizations are discussed. / In der vorliegenden Arbeit behandeln wir zwei Probleme aus dem Gebiet der Nichtgleichgewichtsdynamik von Polymeren oder biologischen Filamenten, die an zweidimensionale Substrate adsorbieren. <br><br> Der erste Teil befasst sich mit der thermisch aktivierten Dynamik von Polymeren auf strukturierten Substraten in An- oder Abwesenheit einer treibenden Kraft. Das strukturierte Substrat wird durch Doppelmulden- oder periodische Potentiale dargestellt. Wir betrachten sowohl homogene treibende Kräfte als auch Punktkräfte. Punktkräfte können bei der Manipulation einzelner Moleküle mit die Spitze eines Rasterkraftmikroskops realisiert werden. Homogene Kräfte können durch einen hydrodynamischen Fluss oder ein elektrisches Feld im Falle geladener Polymere erzeugt werden. <br><br> Im zweiten Teil betrachten wir die kollektive Bewegung von Filamenten in Motility-Assays, in denen Filamente über ein mit molekularen Motoren überzogenes Substrat gleiten. Das Modell zur Simulation der Filamentdynamik beinhaltet wechselwirkende, deformierbare Filamente, die sich unter dem Einfluss von Kräften, die durch molekulare Motoren erzeugt werden, sowie thermischem Rauschen bewegen. Die Schaftdomänen der Motoren sind am Substrat angeheftet und werden als flexible Polymere (entropische Federn) modelliert. Die Kopfregionen der Motoren vollführen eine gerichtete Schrittbewegung mit einer gegebenen Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung. Wir untersuchen die kollektive Filamentdynamik und die Ausbildung von Mustern als Funktion der Motor- und der Filamentdichte, der Kraft-Geschwindigkeitscharakteristik, der Ablöserate der Motorproteine und der Filamentwechselwirkung. Insbesondere wird die Bildung und die Statistik der Filamentmuster, wie etwa die nematische Anordnung aufgrund der Motoraktivität oder die Clusterbildung aufgrund von Blockadeeffekten, untersucht. Unsere Ergebnisse sind experimentell zugänglich und mögliche experimentelle Realisierungen werden diskutiert.

Zur Untersuchung der Schädigungs- und Versagensmechanismen eines in Beton eingebetteten Multifilamentgarns im Auszugversuch wurde die Schallemissionsanalyse zur Identifizierung und Lokalisierung von Filamentbrüchen eingesetzt. Im ersten Schritt wurden dazu die Schall emittierenden Ursachen (Filamentriss, Filamentablösung und Mikroriss im Beton) für eine Differenzierung charakterisiert. Es wurden Versuche zur Erzeugung von isolierten Signalen durchgeführt, welche mit Hilfe der Signal- und Frequenzanalyse untersucht wurden. Bei dem durchgeführten Garnauszugversuch konnte eine hohe Lokalisierungsgenauigkeit der Filamentbrüche erzielt werden. Der Schädigungsverlauf des Garns während des Auszugversuchs konnte detailliert untersucht werden.

Durch die systematischen und umfangreichen experimentellen Untersuchungen werden in dieser Arbeit erstmalig die Einflüsse der textiltechnologischen Parameter des Garn- und Gewebebildungsprozesses auf die Porenstruktur und die davon abhängige Barrierewirkung von marktrelevanten OP-Geweben grundlegend analysiert. Daraus resultiert der Schwerpunkt der Arbeit – die Erarbeitung von Modellen – mit denen die Zusammenhänge zwischen strukturbedingten Einflussgrößen von Geweben und deren Barrierewirkung gegenüber kontaminierten Flüssigkeiten charakterisiert werden kann. Aufgrund des maßgeblichen Einflusses der Mikrostruktur auf das makroskopische Materialverhalten wird ein hierarchisches Strukturmodell eingeführt, welches zwischen der Makro-, Meso- und Mikroebene unterscheidet. Diese Strukturebenen erfassen die Gewebestruktur in unterschiedlichen Modellierungsniveaus. Die Systematisierungskriterien Garnfeinheit, Gewebebindung und Fadendichte beschreiben die Mesoebene. Die Filamentfeinheit und der Filamentquerschnitt sind wesentliche Kenngröße der Mikroebene. Das anhand des Darcy-Gesetzes entwickelte Modell für die Beschreibung der Mesoebene ist anschaulicher und beinhaltet den Einfluss der Bindung und der Formänderungen der Filamentgarne bei der Gewebeherstellung. Bei der Analyse der Porenstruktur werden mit Hilfe der optischen Methode – Bildanalyse – systematische Untersuchungen an der Morphologie des Gewebes durchgeführt, die bisher noch nicht realisierbar waren. Hier besteht die Möglichkeit, in das Gewebeinnere „hineinzusehen“ und sich nicht nur auf die funktionalen Parameter zu beschränken. Um die Transportmechanismen von Mikroorganismen unter praxisrelevanten Bedingungen zu simulieren, wird ein Verfahren entwickelt. Die Entwicklung erstreckt sich auf die Simulation des Drucks und der Reibung sowie die Simulation der im OP-Saal vorhandenen Flüssigkeiten mit synthetischem Blut und mit Mikrokugeln kontaminiertem Wasser. Das Verfahren ergänzt die optischen Untersuchungen und trägt zur Interpretation bei. Die qualitativen mikroskopischen Untersuchungen durch die Betrachtung der Gewebeoberfläche und -querschnitte unterstützen die Lokalisierung der Partikel im und auf dem Gewebe. Sie liefern interessante Aussagen und Informationen über die Durchgangsmechanismen von partikelbeladenen Flüssigkeiten durch das Gewebe. Der experimentelle Teil befasst sich mit der kritischen Auswahl und Charakterisierung repräsentativer OP-Textilien. Die wissenschaftlichen Fragestellungen werden an 6 repräsentativen PES-Filamentgeweben von 23 marktrelevanten PES-Filamentgeweben für OP-Textilien untersucht und beantwortet. Diese werden hinsichtlich des Einflusses der textiltechnologischen Parameter – Filamentfeinheit, -querschnitt, und Filamentgarnfeinheit sowie der webtechnischen Parameter – auf die strukturbedingte Barrierewirkung anhand der entwickelten Modelle und des Penetrationsversuches evaluiert. Auf diesen Ergebnissen aufbauend werden die Ansätze für die Optimierung der Gewebestruktur hinsichtlich der Barrierewirkung erstellt. Durch die Kombination von feinen Garnen mit hoher Fadendichte unter Ausnutzung von technologischen Möglichkeiten werden Mustergewebe aus PES-Mikrofilamentgarnen mit hoher Barrierewirkung hergestellt. Die experimentelle Untersuchung der am Institut für Textil- und Bekleidungstechnik entwickelten Mustergewebe und die theoretischen Modellrechnungen bestätigen das vorhandene textiltechnische Potenzial zur Optimierung von Mikrofilamentgeweben, d. h., einer weiteren Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber partikelbeladenen Flüssigkeiten. Die Porenweiten in der Mesoebene können wirkungsvoll durch den Einsatz von feinen Filamentgarnen und das Erreichen der hohen Fadendichten in beiden Fadensystemen um die 50 % reduziert werden. Im Vergleich zu marktrelevanten OP-Geweben weisen die Mustergewebe eine erheblich hohe Barrierewirkung gegenüber synthetischem Blut und mit Mikrokugeln kontaminiertem Wasser auf. Diese Arbeit zur grundlegenden Analyse der strukturbedingten Barriereeigenschaften bietet Grundlagen für künftig notwendige Entscheidungen in der Produktentwicklung, Produktion, Produktnormung sowie Produktevaluierung. Sie kann in unterschiedliche Richtung fortgesetzt werden und die Optimierung flüssigkeits- und partikeldichter Gewebe im Gesundheitswesen, Reinraumtechnik im Speziellen oder von Schutztextilien im Allgemeinen, aber auch die Konkretisierung und Übertragung der Modellansätze betreffen.

AR-Glas wird in Form von Multifilamentgarn zur Verstärkung in textilbewehrtem Beton eingesetzt. Während des Herstellungsprozesses wird auf die AR-Glasfilamente die Schlichte aufgebracht, deren chemische Zusammensetzung maßgeblich die Qualität der Filament-Matrix-Grenzschicht bestimmt, sowie die chemische Beständigkeit im alkalischen Milieu gewährleistet. Zur Beurteilung der chemischen Beständigkeit in alkalischer Umgebung werden beschleunigte Alterungsversuche in wässrigen, alkalischen Lösungen durchgeführt. Die Reaktion von Hydroxid-Ionen mit dem Si-O-Si-Gruppen des Glasnetzwerkes führt zur Ausbildung hydratisierter Oberflächen und gelösten Silikaten. Das Ausmaß der Glaskorrosion ist von der chemischen Zusammensetzung der Glasfaser, der Schlichte bzw. Beschichtung und der alkalischen Lösung sowie von Zeit und Temperatur abhängig. Die beschleunigte Alterung von verschiedenen AR-Glasfasern in NaOH-Lösung sowie Zementlösung zeigt, dass sich der Korrosionsmechanismus aufgrund der vorhandenen Calcium-Ionen unterscheidet. Die Filamentbruchspannung wird anhand der Weibull-Verteilungsfunktion analysiert. Das mechanische Verhalten hängt deutlich von der chemischen Zusammensetzung der Alterungslösung ab, was zu unterschiedlichen Parametern der Weibull-Verteilungsfunktion sowie vermengten Verteilungen führen kann. Die Alterung in NaOH-Lösung führt zur Ausbildung einer korrodierten Schicht an der Filamentoberfläche. In Ca-haltigen Zementlösungen kommt es dagegen zu einer lokal begrenzten Korrosion. Für die Beurteilung verschiedener Polymerbeschichtungen werden Betonverbunde bei unterschiedlichen Temperaturen und Umgebungsfeuchten gelagert, wodurch geeignete Alterungsbedingungen evaluiert werden und den Vergleich der chemischen Beständigkeit unterschiedlicher Beschichtungen ermöglichen. / Rovings made of AR-glass are used in textile reinforced concrete. During the manufacturing process the sizing is applied on the AR-glass filaments. The chemical constitution of the sizing determines the quality of the filament-matrix-interface but also the chemical durability of the glass filaments in alkaline environment. The durability is evaluated by accelerated ageing tests in aqueous, alkaline solutions. In alkaline solutions, the reaction of hydroxyl ions with Si-O-Si-groups of the glass network leads to the formation of hydrated surfaces and dissolved silicate. The rate of this corrosion depends on the chemical constitution of the fibre and the alkaline solution as well as on time and temperature. The investigation of the ageing of glass fibres with different chemical constitutions in NaOH and cement solutions shows that the corrosion mechanism changes due to the inhibiting effect of calcium ions. The strength distributions have been evaluated using a Weibull distribution function. The mechanical behaviour strongly depends on the chemistry of the solution and determines the parameters of the Weibull distribution function in terms of either single or mixed distributions. The corrosion in NaOH solution leads to a strong dissolution of the outer layer of the glass fibres, whereas during aging in cement solution at the same pH-value a limited, local attack was revealed. The evaluation of polymer coatings is realised by the ageing of concrete composites at different temperatures and humidities to deduce adequate ageing conditions for the comparison of different coatings.