Für die Optimierung akustischer Eigenschaften von Räumen ist die Verbesserung deren numerischer Simulationen von entscheidender Bedeutung. Im unteren Frequenzbereich hängt in vielen Fällen die Qualität der Lösungen stark von der Kenntnis akustischer Wandadmittanzen ab. Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung und Untersuchung verschiedener auf deterministischen Diskretisierungen des akustischen Randwertproblems basierender Formulierungen zur globalen Bestimmung frequenzabhängiger Admittanzparameter. Mit Admittanzen kann das Reflexions- und Absorptionsverhalten von Wänden quantifiziert werden. Der vorgestellte Ansatz der globalen Admittanzbestimmung in Innenräumen ermöglicht die Berücksichtigung schrägen Schalleinfalls. Die Methode sieht ein Experiment vor, bei dem das Schallfeld mit Mikrofonen abgetastet, alle vorhandenen Schallquellen bestimmt sowie die Geometrie des akustischen Raumes erfasst werden. Mit den in der Arbeit entwickelten Algorithmen wird eine globale Admittanzverteilung für den gesamten Rand aus diesen Daten berechnet. Mit Hilfe erfolgreich identifizierter Admittanzverläufe sollen Simulationen niederfrequenter Wellenausbreitungen in Räumen auch komplizierter Geometrien und Oberflächenbeschaffenheiten durch Hinzunahme von Admittanzrandbedingungen ermöglicht und verbessert werden. Die Bestimmung von Wandadmittanzen aus partiell bekannten Schalldruckwerten wird mathematisch als inverses Problem eingeordnet. Für die inversen Algorithmen werden die Methoden der Randelemente (BE) und der finiten Elemente (FE) zur Diskretisierung des akustischen Randwertproblems verwendet. Aus den Gleichungen der BE-Diskretisierung lässt sich ein schlecht konditioniertes, aber dafür lineares Gleichungssystem für das inverse Problem finden, während die FE-basierte Formulierung ein nichtlineares, aufgrund der Komplexität des Problems meist ebenfalls schlecht konditioniertes Optimierungsproblem darstellt. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Gegenüberstellung der linearen und nichtlinearen Algorithmen des inversen Problems in Hinblick auf deren Herleitungen, die umgesetzten Berechnungsverfahren und der sich stark unterscheidenden Lösungsqualitäten. Untersuchungen der Admittanzrekonstruktion an zwei- und dreidimensionalen theoretischen Modellen verdeutlichen die Einflüsse der Modellgenauigkeit, des Messumfanges und des Messrauschens auf die Ergebnisse der inversen Algorithmen. Anhand der Anwendung auf Messdaten eines bei Brüel & Kjaer durchgeführten Experimentes wird das inverse Verfahren der globalen Admittanzbestimmung einem Praxistest unterzogen. / Reflection and absorption of sound waves on boundaries play a determining role for the optimization of acoustical properties in closed rooms. Above all the geometry and dynamic behavior of the wall structure are responsible for it. These boundary terms are quantifiable within the scope of numerical acoustics by the so-called admittance boundary conditions of the acoustical boundary value problem. Especially at low frequencies the quality of acoustical simulation depends strongly on the recognition of boundary admittances. The present work includes the development of two different inverse algorithms based on deterministic discretization methods for the global determination of frequency-dependent boundary admittance parameters. The approach of global determination of admittances allows to take account for non-perpendicular wave incident. For the method to work an experiment shall be initially conducted. In that process all present sound sources and microphone arrays scanning the sound field must be located and measured and a model of the geometry of the room needs to be created. The developed algorithms calculate then a global admittance distribution based on this data. Using successfully identified admittance characteristics as admittance boundary condition, low frequency simulation in rooms of complex geometry and arbitrary consistency of the surface shall be improved. Identifying boundary admittances out of partially measured sound pressure data is classifiable as inverse acoustic problem. In order to develop inverse formulations the acoustical boundary value problem is discretized by means of the Boundary Element and the Finite Element Method. The inverse formulation of the Boundary Element equations composes an ill-posed but linear system of equations. In contrast, based on Finite Elements only a nonlinear optimization problem can be set up that often features a bad condition due to the complexity of the inverse problem. The comparison of these linear and nonlinear algorithms of the inverse acoustic problem of global determination of boundary admittances in respect of derivation, implemented solution techniques and differing solution qualities states an essential result of this work. The investigation of admittance reconstruction at two and three-dimensional theoretical models reveal the influences of model accuracy, measurement expense and noise on measured data onto the results of both inverse algorithms. Finally, the problem of global admittance determination is subjected to experimentally obtained data (at Brüel & Kjaer) in order to check for practical applicability.

Eines der am häufigsten in der Automobilindustrie eingesetzten mechanischen Fügeverfahren ist das Clinchen, auch Durchsetzfügen genannt. Hierbei werden zwei oder mehr sich überlappende Bleche lokal umgeformt, sodass eine form- und kraftschlüssige Verbindung mit matrizenseitiger Überhöhung entsteht. Eine Sonderform des Clinchens ist das Flach-Clinchen zur Herstellung einseitig ebener Clinch-Verbindungen. Mit dem Ziel, die Verfahrensgrenzen des konventionellen Flach-Clinchens zu erweitern, werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit zwei neuartige Verfahrensvarianten des Flach-Clinchens entwickelt. Um die Verbindungsfestigkeit der Flach-Clinch-Verbindung zu erhöhen, wird ein zusätzliches Hilfsfügeelement in den Fügepunkt eingebracht. Dies bewirkt zum einen eine Vergrößerung des Hinterschnittes und daraus resultierend eine erhöhte Belastbarkeit gegenüber Kopfzugbeanspruchung. Zum anderen wird der Fügepunkt durch das zusätzliche Material stabilisiert und folglich die Belastbarkeit gegenüber Scherzugbeanspruchung verbessert. Die zweite Verfahrensvariante beinhaltet die Kombination aus Flach-Clinchen und Kleben zum sogenannten Flach-Clinchkleben. Hierbei dient die mechanische Verbindung hauptsächlich als Fixierhilfe bis zur vollständigen Aushärtung des Klebstoffs. Dies ermöglicht eine direkte Weiterverarbeitung des Bauteils nach dem Fügen und somit eine deutliche Verkürzung der Prozesszeiten. Die Entwicklung des Flach-Clinchens mit Hilfsfügeelement und des Flach-Clinchklebens erfolgt ausschließlich mittels numerischer Simulationen. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend experimentell verifiziert und die Verbindungsfestigkeiten der neuentwickelten Verfahrensvarianten bestimmt. / Clinching is one of the most common used mechanical joining processes in automotive industry. Here, two or more overlapping metal sheets are locally formed so that a form- and force-closed joint with diesided protrusion is established. A special type of clinching is the so-called flat-clinching for the production of one-sided planar joints. Within the framework of this thesis, two novel process variants of flat-clinching are developed for enhancing the process limitations of conventional flat-clinching. For increasing the joint strength, a complementary joining element is inserted into the joint. This causes an enlargement of the interlocking, leading to a higher resistance to cross tension loads. Also, the additional material stabilizes the joint and hence improves the resistance to shear load. The second process variant, adhesive flat-clinching, includes the combination of flat-clinching and adhesive bonding. The metal sheets are fixed by flat-clinching and the final joint strength is achieved after the complete curing of the adhesive. This enables a continuous processing of the component and therefore, the process time can be shortened. The development of flat-clinching using complementary joining elements and adhesive flat-clinching is exclusively carried out by using numerical simulation. The knowledge gained from the simulations is subsequently experimentally proven. Also, the joint strength of the novel process variants is experimentally determined.

Medical devices have made a big step forward in the past decades. One of the most noticeable medical events of the twenties century was the development of long-lasting, wireless electronic implants such as identification tags, pacemakers and neuronal stimulators. These devices were only made possible after the development of small scale radio frequency electronics. Small radio electronic circuits provided a way to operate in both transmission and reception mode allowing an implant to communicate with an external world from inside a living organism. Bidirectional communication is a vital feature that has been increasingly implemented in similar systems to continuously record biological parameters, to remotely configure the implant, or to wirelessly stimulate internal organs. Further miniaturisation of implantable devices to make the operation of the device more comfortable for the patient requires rethinking of the whole radio system concept making it both power efficient and of high performance. Nowadays, high data throughput, large bandwidth, and long term operation requires new radio systems to operate at UHF (ultra-high frequency) bands as this is the most suitable for implantable applications. For instance, the MICS (Medical Implant Communication System) band was introduced for the communication with implantable devices. However, this band could only enable communication at low data rates. This was acceptable for the transmission of telemetry data such as heart beat rate, respiratory and temperature with sub Mbps rates. Novel developments such as neuronal and prosthetic implants require significantly higher data rates more than 10 Mbps that can be achieved with large bandwidth communicating systems operating at higher frequencies in a GHz range. Higher operating frequency would also resolve a strong issue of MICS devices, namely the scale of implants defined by dimensions of antennas used at this band. Operation at 2.4 GHz ISM band was recognized to be the most adequate as it has a moderate absorption in the human body providing a compromise between an antenna/implant scale and a total power efficiency of the communicating system. This thesis addresses a key challenge of implantable radio communicating systems namely an efficient and small scale antenna design which allows a high yield fabrication in a microelectronic fashion. It was demonstrated that a helical antenna design allows the designer to precisely tune the operating frequency, input impedance, and bandwidth by changing the geometry of a self-assembled 3D structure defined by an initial 2D planar layout. Novel stimuli responsive materials were synthesized, and the rolled-up technology was explored for fabrication of 5.5-mm-long helical antenna arrays operating in ISM bands at 5.8 and 2.4 GHz. Characterization and various applications of the fabricated antennas are successfully demonstrated in the thesis.

Die Dynamik von elastischen Membranen, Kapseln und Schalen hat sich zu einem aktiven Forschungsgebiet in der simulationsgestützten Physik und Biologie entwickelt. Die dünne Oberfläche dieser elastischen Materialien ermöglicht es, sie effizient als Hyperfläche zu approximieren. Solche Oberflächen reagieren auf Dehnungen in Oberflächenrichtung und Verformungen in Normalenrichtung mit einer elastischen Kraft. Zusätzlich können Oberflächenspannungskräfte auftreten. In dieser Arbeit präsentieren wir eine neuartige Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) Methode um solche in (Navier-Stokes) Fluiden eingebetteten elastischen Schalen zu simulieren. Dadurch, dass das Gitter an die elastische Oberfläche angepasst ist, kombiniert die vorgeschlagene Methode hohe Genauigkeit mit Effizienz in der Berechnung der Lösungen. Folglich kann man die Simulationen mit einer verhältnismäßig geringen Gitterauflösung durchführen. Der Fokus dieser Arbeit liegt bei achsensymmetrischen Formen und Strömungen, wie sie bei vielen biophysikalischen Anwendungen zu finden sind. Neben einer allgemeinen dreidimensionalen Beschreibung formulieren wir achsensymmetrische Kräfte auf der Oberfläche, für welche wir eine Diskretisierung mit der Finite Differenzen Methode vorschlagen, welche an eine Finite-Elemente Methode für die umgebenden Fluide gekoppelt ist. Weiterhin entwickeln wir eine Strategie zur impliziten Kopplung der Kräfte, um Zeitschrittrestriktionen zu reduzieren. In verschiedenen numerischen Tests werden wir zeigen, dass akkurate Ergebnisse schon in einer Größenordnung von Minuten auf einer Single-Core CPU erreicht werden können. Die Methode wurde in drei aktuellen Anwendungen verwendet, wobei mindestens zwei davon nach unserer Kenntnis im Moment mit keiner anderen numerischen Methode simuliert werden können: Zunächst präsentieren wir Simulationen von biologischen Zellen, die im Zuge eines RT-DC (Real-Time Deformability Cytometry) Experiments durch einen schmalen mikrofluidischen Kanal advektiert und dabei verformt werden. Danach zeigen wir die Ergebnisse erster Simulationen der uniaxialen Kompression biologischer Zellen zwischen zwei parallelen Platten im Zuge eines AFM Experiments. Schließlich präsentieren wir Resultate erster Simulationen von neuartigen mikroschwimmenden Schalen, welche lediglich durch äußere Einflüsse (wie z.B. Ultraschall), zum Schwimmen angeregt werden können. / The dynamics of membranes, shells, and capsules in fluid flow has become an active research area in computational physics and computational biology. The small thickness of these elastic materials enables their efficient approximation as a hypersurface, which exhibits an elastic response to in-plane stretching and out-of-plane bending, possibly accompanied by a surface tension force. In this work, we present a novel arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method to simulate such elastic surfaces immersed in Navier-Stokes fluids. The method combines high accuracy with computational efficiency, since the grid is matched to the elastic surface and can therefore be resolved with relatively few grid points. The focus of this work is on axisymmetric shapes and flow conditions, which are present in a wide range of biophysical problems. Next to a general three-dimensional description, we formulate axisymmetric elastic surface forces and propose a discretization with surface finite-differences coupled to evolving finite elements. We further develop an implicit coupling strategy to reduce time step restrictions. Several numerical test cases show that accurate results can be achieved at computational times on the order of minutes on a single core CPU. Three state-of-the-art applications are demonstrated, where to our knowledge at least two of them cannot be simulated with any other numerical method so far. First, simulations of biological cells being advected through a microfluidic channel and therefore being deformed during an RT-DC (Real-Time Deformability Cytometry) experiment are presented. Then, the uniaxial compression of the cortex of a biological cell during an AFM experiment is investigated. Finally, we present the results of first simulations of the observed shape oscillations of novel microswimming shells which can be locomoted by exterior influences (e.g. ultrasound waves) only.

Für die Optimierung akustischer Eigenschaften von Räumen ist die Verbesserung deren numerischer Simulationen von entscheidender Bedeutung. Im unteren Frequenzbereich hängt in vielen Fällen die Qualität der Lösungen stark von der Kenntnis akustischer Wandadmittanzen ab. Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung und Untersuchung verschiedener auf deterministischen Diskretisierungen des akustischen Randwertproblems basierender Formulierungen zur globalen Bestimmung frequenzabhängiger Admittanzparameter. Mit Admittanzen kann das Reflexions- und Absorptionsverhalten von Wänden quantifiziert werden. Der vorgestellte Ansatz der globalen Admittanzbestimmung in Innenräumen ermöglicht die Berücksichtigung schrägen Schalleinfalls. Die Methode sieht ein Experiment vor, bei dem das Schallfeld mit Mikrofonen abgetastet, alle vorhandenen Schallquellen bestimmt sowie die Geometrie des akustischen Raumes erfasst werden. Mit den in der Arbeit entwickelten Algorithmen wird eine globale Admittanzverteilung für den gesamten Rand aus diesen Daten berechnet. Mit Hilfe erfolgreich identifizierter Admittanzverläufe sollen Simulationen niederfrequenter Wellenausbreitungen in Räumen auch komplizierter Geometrien und Oberflächenbeschaffenheiten durch Hinzunahme von Admittanzrandbedingungen ermöglicht und verbessert werden. Die Bestimmung von Wandadmittanzen aus partiell bekannten Schalldruckwerten wird mathematisch als inverses Problem eingeordnet. Für die inversen Algorithmen werden die Methoden der Randelemente (BE) und der finiten Elemente (FE) zur Diskretisierung des akustischen Randwertproblems verwendet. Aus den Gleichungen der BE-Diskretisierung lässt sich ein schlecht konditioniertes, aber dafür lineares Gleichungssystem für das inverse Problem finden, während die FE-basierte Formulierung ein nichtlineares, aufgrund der Komplexität des Problems meist ebenfalls schlecht konditioniertes Optimierungsproblem darstellt. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Gegenüberstellung der linearen und nichtlinearen Algorithmen des inversen Problems in Hinblick auf deren Herleitungen, die umgesetzten Berechnungsverfahren und der sich stark unterscheidenden Lösungsqualitäten. Untersuchungen der Admittanzrekonstruktion an zwei- und dreidimensionalen theoretischen Modellen verdeutlichen die Einflüsse der Modellgenauigkeit, des Messumfanges und des Messrauschens auf die Ergebnisse der inversen Algorithmen. Anhand der Anwendung auf Messdaten eines bei Brüel & Kjaer durchgeführten Experimentes wird das inverse Verfahren der globalen Admittanzbestimmung einem Praxistest unterzogen. / Reflection and absorption of sound waves on boundaries play a determining role for the optimization of acoustical properties in closed rooms. Above all the geometry and dynamic behavior of the wall structure are responsible for it. These boundary terms are quantifiable within the scope of numerical acoustics by the so-called admittance boundary conditions of the acoustical boundary value problem. Especially at low frequencies the quality of acoustical simulation depends strongly on the recognition of boundary admittances. The present work includes the development of two different inverse algorithms based on deterministic discretization methods for the global determination of frequency-dependent boundary admittance parameters. The approach of global determination of admittances allows to take account for non-perpendicular wave incident. For the method to work an experiment shall be initially conducted. In that process all present sound sources and microphone arrays scanning the sound field must be located and measured and a model of the geometry of the room needs to be created. The developed algorithms calculate then a global admittance distribution based on this data. Using successfully identified admittance characteristics as admittance boundary condition, low frequency simulation in rooms of complex geometry and arbitrary consistency of the surface shall be improved. Identifying boundary admittances out of partially measured sound pressure data is classifiable as inverse acoustic problem. In order to develop inverse formulations the acoustical boundary value problem is discretized by means of the Boundary Element and the Finite Element Method. The inverse formulation of the Boundary Element equations composes an ill-posed but linear system of equations. In contrast, based on Finite Elements only a nonlinear optimization problem can be set up that often features a bad condition due to the complexity of the inverse problem. The comparison of these linear and nonlinear algorithms of the inverse acoustic problem of global determination of boundary admittances in respect of derivation, implemented solution techniques and differing solution qualities states an essential result of this work. The investigation of admittance reconstruction at two and three-dimensional theoretical models reveal the influences of model accuracy, measurement expense and noise on measured data onto the results of both inverse algorithms. Finally, the problem of global admittance determination is subjected to experimentally obtained data (at Brüel & Kjaer) in order to check for practical applicability.

Auf Grund wachsender Nachfrage der simulativen Beurteilung von Getrieben hinsichtlich Geräuschentwicklung, Vibration und Belastbarkeit, kommt den Berechnungsmethoden immer größere Bedeutung zu. Hier spielen nicht nur die Steifigkeit der Verzahnung, sondern auch die Steifigkeiten der Wellen, Lagerungen und Gehäuse eine wichtige Rolle. Dazu werden unterschiedliche Simulationsmethoden vorgestellt und diese hinsichtlich Genauigkeit, Effizienz und Limitierung bewertet. Ein wichtiger Aspekt ist in diesem Zusammenhang auch die Modellbildung, insbesondere die Ermittlung der Eingabedaten für die Beschreibung der einzelnen Komponenten und deren Verbindungselemente. Die Koppelung des Mehrkörpersystems mit einem speziellen Auslegungstool für Getriebekomponenten ist neben der Multi-Physics-Simulation und der klassischen Mehrkörperdynamik eine Methode, die die Stärken beider Tools verbindet.

Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung und Implementierung eines nichtlokalen duktilen Schädigungsmodells, die Anwendung von Verfahren zur Bestimmung von Materialparametern aus Versuchsdaten sowie die Berechnung von bruchmechanischen Kennwerten im spröd-duktilen Übergangsbereich durch die numerische Simulation von Bruchmechanikversuchen unter Verwendung der ermittelten Parameter. Das entwickelte nichtlokale duktile Schädigungsmodell basiert auf dem Modell nach Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN). Durch die Einführung eines zusätzlichen Längenparameters mittels einer impliziten Gradientenformulierung wird die Netzabhängigkeit des GTN-Modells eliminiert. Zur Lösung des nunmehr gekoppelten Feldproblems wird das nichtlokale Schädigungsmodell in Form eines benutzerdefinierten Elements in ein Finite-Elemente-Programm implementiert. Zur Parameterbestimmung werden Kraft-Verschiebungs-Kurven des Small-Punch-Tests (SPT), einem Kleinstprobenversuch, ausgewertet. Aufgrund des sehr geringen Materialbedarfs für die Herstellung der benötigten SPT-Proben werden Rest- bzw. Bruchstücke von Charpy-Tests weiterverwendet. Es werden zwei ferritische Reaktorstähle im bestrahlten und unbestrahlten Zustand untersucht. Die Versuchsreihen decken den vollständigen Bereich der Zähigkeit beider Stähle ab. Die Bestimmung von Bruchzähigkeiten erfolgt nach dem Konzept des Local Approach allein durch numerische Berechnung des Spannungs- und Verformungszustandes in Bruchmechanikproben. Hierbei werden die zuvor aus dem SPT bestimmten Fließkurven und Schädigungsparameter verwendet. Die berechneten Bruchzähigkeiten werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen. / This work comprises the development and implementation of a non-local ductile damage model, the application of methods for the identification of material parameters from experimental data as well as the calculation of fracture mechanics parameters in the brittle-ductile transition zone through numerical simulations of fracture mechanical tests using the identified parameters. The developed non-local ductile damage model is based on the Gurson-Tvergaard-Needleman model (GTN). The pathological mesh sensitivity of the GTN model is eliminated by introducing an additional length parameter by means of an implicit gradient formulation. To solve the coupled field problem, the non-local damage model is implemented in a finite element program in the form of a userdefined element. Force-displacement-curves of the small punch test (SPT), a miniaturised test, are evaluated for the determination of material parameters. Given the modest material requirements for the preparation of the required samples remnants of Charpy-specimens are reused. Two ferritic reactor steels, both irradiated and unirradiated, are examined. The experiments cover the full brittle-ductile transition region of the steels. Following the concept of the Local Approach, fracture toughness values are determined by numerical calculation of the stress and deformation state in fracture mechanics specimen only. Here, the yield curves and damage parameters previously determined from the SPT are used. The calculated fracture toughness values are compared with experimental results.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Randwertprobleme zur Beschreibung der Ausbreitung magnetotellurischer Felder mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch gelöst. Die zwei- und dreidimensionalen Randwertprobleme zur Simulation des elektrischen oder des magnetischen Feldes, des magnetischen Vektorpotentials und des elektrischen Skalarpotentials, des magnetischen Vektorpotentials allein oder des anomalen magnetischen Vektorpotentials werden aus den Maxwell-Gleichungen hergeleitet. Auf Grundlage von Anwendung der Konvergenztheorie auf die Finite-Elemente-Lösung werden Konvergenzstudien für zweidimensionale Modelle des homogenen und des geschichteten Halbraums sowie für das dreidimensionale COMMEMI 3-D-2-Modell durchgeführt. Diese werden genutzt, um die Randwertprobleme hinsichtlich ihrer Effizienz zu bewerten. Außerdem liefern Konvergenzstudien eine Abschätzung des lokalen Fehlers der numerischen Lösung für ein realitätsnahes Modell des Vulkans Stromboli und seiner Umgebung, welches digitale Geländedaten enthält. / This thesis presents the numerical finite-element solution of different formulations of the magnetotelluric boundary value problem. Based on Maxwell\'s equations, the two-dimensional and three-dimensional boundary value problems are derived in terms of the electric or the magnetic field, the magnetic vector and the electric scalar potential, the magnetic vector potential only, or the anomalous magnetic vector potential. To evaluate their efficiency, convergence studies are performed for the two-dimensional models of the homogeneous and the layered halfspace as well as for the COMMEMI-3-D-2 model. Moreover, convergence studies yield estimates of the local error of the numerical solution for a close-to-reality model of Stromboli volcano incorporating digital terrain data.

Eines der am häufigsten in der Automobilindustrie eingesetzten mechanischen Fügeverfahren ist das Clinchen, auch Durchsetzfügen genannt. Hierbei werden zwei oder mehr sich überlappende Bleche lokal umgeformt, sodass eine form- und kraftschlüssige Verbindung mit matrizenseitiger Überhöhung entsteht. Eine Sonderform des Clinchens ist das Flach-Clinchen zur Herstellung einseitig ebener Clinch-Verbindungen. Mit dem Ziel, die Verfahrensgrenzen des konventionellen Flach-Clinchens zu erweitern, werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit zwei neuartige Verfahrensvarianten des Flach-Clinchens entwickelt. Um die Verbindungsfestigkeit der Flach-Clinch-Verbindung zu erhöhen, wird ein zusätzliches Hilfsfügeelement in den Fügepunkt eingebracht. Dies bewirkt zum einen eine Vergrößerung des Hinterschnittes und daraus resultierend eine erhöhte Belastbarkeit gegenüber Kopfzugbeanspruchung. Zum anderen wird der Fügepunkt durch das zusätzliche Material stabilisiert und folglich die Belastbarkeit gegenüber Scherzugbeanspruchung verbessert. Die zweite Verfahrensvariante beinhaltet die Kombination aus Flach-Clinchen und Kleben zum sogenannten Flach-Clinchkleben. Hierbei dient die mechanische Verbindung hauptsächlich als Fixierhilfe bis zur vollständigen Aushärtung des Klebstoffs. Dies ermöglicht eine direkte Weiterverarbeitung des Bauteils nach dem Fügen und somit eine deutliche Verkürzung der Prozesszeiten. Die Entwicklung des Flach-Clinchens mit Hilfsfügeelement und des Flach-Clinchklebens erfolgt ausschließlich mittels numerischer Simulationen. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend experimentell verifiziert und die Verbindungsfestigkeiten der neuentwickelten Verfahrensvarianten bestimmt. / Clinching is one of the most common used mechanical joining processes in automotive industry. Here, two or more overlapping metal sheets are locally formed so that a form- and force-closed joint with diesided protrusion is established. A special type of clinching is the so-called flat-clinching for the production of one-sided planar joints. Within the framework of this thesis, two novel process variants of flat-clinching are developed for enhancing the process limitations of conventional flat-clinching. For increasing the joint strength, a complementary joining element is inserted into the joint. This causes an enlargement of the interlocking, leading to a higher resistance to cross tension loads. Also, the additional material stabilizes the joint and hence improves the resistance to shear load. The second process variant, adhesive flat-clinching, includes the combination of flat-clinching and adhesive bonding. The metal sheets are fixed by flat-clinching and the final joint strength is achieved after the complete curing of the adhesive. This enables a continuous processing of the component and therefore, the process time can be shortened. The development of flat-clinching using complementary joining elements and adhesive flat-clinching is exclusively carried out by using numerical simulation. The knowledge gained from the simulations is subsequently experimentally proven. Also, the joint strength of the novel process variants is experimentally determined.

Die Verbesserung der Energie- und Ressourceneffizienz stellt eine zentrale Aufgabe für die Produktionstechnik dar. Inkrementelle Verfahren wie das Drückwalzen weisen bereits aufgrund ihres Prozessprinzips ein hohes Potenzial zur Ressourceneffizienz auf. Allerdings besitzen diese Verfahren eine Vielzahl von Einflussfaktoren auf das Prozessergebnis, die zudem in Wechselwirkung zueinander stehen. Die Folge schwankender Prozesseinflussgrößen (z. B. Chargenschwankungen oder variierende Halbzeuggeometrie) ist häufig Bauteilausschuss, der sich aufgrund der meist kleinen bis mittleren Losgrößen stärker auf die Produktivität auswirkt. Die Weiterentwicklung von gesteuerten zu selbstgeregelten Umformprozessen mit Prozessrückkopplung bietet ein großes Potential zur Verbesserung der Ressourceneffizienz. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Grundlagen und Vorgehensweise zur Realisierung des selbstregelnden Drückwalzens erarbeitet. Nach der Analyse und Bewertung von Störungen auf die Prozesseinflussgrößen erfolgt die Definition eines Referenzzustandes und von Störszenarien. Auf Basis experimenteller Untersuchungen wird der Referenzzustand analysiert und ein digitaler Zwilling des Drückwalzprozesses entwickelt. Mit dessen Hilfe erfolgt die Bewertung der Störszenarien. Anschließend wird ein methodisches Vorgehen vorgestellt, mit dem das selbstregelnde Drückwalzen beliebiger Zielgrößen entwickelt werden kann. Im digitalen Zwilling werden zusätzlich ein virtueller Sensor, der Regelalgorithmus und die Aktordynamik integriert und damit die Selbstregelung für eine Prozessgröße und ein Prozessergebnis ausgelegt und untersucht. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurde das selbstregelnde Drückwalzen erstmals erfolgreich experimentell umgesetzt. Die in der Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen eine signifikante Reduzierung des Einflusses von Prozessstörungen auf das Prozessergebnis durch die Selbstregelung. / Improving energy and resource efficiency is also a key challenge for production technology. Incremental processes such as flow-forming already have a high potential for resource efficiency due to their process principle. Flow-forming has a large number of influencing process parameters that also interact with each other. Fluctuating process parameters (e.g. batch fluctuations or varying semi-finished product geometry) can result in component scrap, which has a major influence on productivity due to the mostly small to medium batch sizes. The further development of controlled to self-controlled forming processes with process feed-back offers great potential for improving resource efficiency. In this thesis, the basics and the procedure for the realization of self-controlled flow-forming are developed. After the analysis and evaluation of disturbances on the process influencing variables, a reference state and disturbance scenarios are defined. The reference state is analyzed on the basis of experimental investigations and a digital twin of the flow-forming process is developed. This is used to evaluate the disturbance scenarios. Subsequently, a methodical procedure is presented to develop self-controlled flow-forming of any process parameter or process result. A virtual sensor, the control algorithm and the actuator dynamics are also integrated into the digital twin to design and investigate the self-control for a process parameter and a process result. Based on the knowledge gained, self-controlled flow-forming was successfully implemented experimentally for the first time. The results show a significant reduction of the influence of process disturbances on the process results.