Hard carbon is an important material for future fossil-free transport systems, as it is a popular choice for the production of anodes for sodium-ion batteries. Biomass is a popular carbonaceous raw material for making hard carbon. It was only noticed at first because it is a renewable energy source, but with the wide application of carbon materials in several fields, industrial manufacturing using biomass as raw material has also been studied a lot. Process simulation of biomass pyrolysis and carbonization to produce hard carbon, pyrolysis gas, and bio-oil are investigated in this thesis work. The model simulation is assumed based on the current operating data and previous literature review, where the first two models use heat exchangers, and the last case uses by-products to generate heat. Economic analysis based on operating expenses and total capital investment is given based on simulated results. The results show that the yield of hard carbon is about 17% under 1000kg/h biomass feedstock, and the economic performance of using heat exchangers is better than that of pyrolysis gas combustion to supply energy. The economic results and break-even point are used to calculate the minimum selling price, payback period, and sensitivity analysis. The calculated minimum selling price for hard carbon is about SEK 20/kg, which is within the range of the current market price, and the payback period is about 16 years. From the sensitivity analysis results, if electricity prices continue to rise, the economics of using cracked gas may become more significant. / Hårt kol är ett viktigt material för framtida fossilfria transportsystem, eftersom det är ett populärt val för tillverkning av anoder till natriumjonbatterier. Biomassa är en populär kolhaltig råvara för att tillverka hårt kol. Det märktes först bara för att det är en förnybar energikälla, men med den breda användningen av kolmaterial inom flera områden har även industriell tillverkning med biomassa som råvara studerats mycket. Processimulering av biomassa pyrolys och karbonisering för att producera hårt kol, pyrolysgas och bioolja undersöks i detta examensarbete. Modellsimuleringen antas baserat på nuvarande driftdata och tidigare litteraturgenomgång, där de två första modellerna använder värmeväxlare och det sista fallet använder biprodukter för att generera värme. Ekonomisk analys baserad på driftskostnader och totala kapitalinvesteringar ges utifrån simulerade resultat. Resultaten visar att utbytet av hårt kol är cirka 17 % under 1000 kg/h biomassaråvara, och den ekonomiska prestandan för att använda värmeväxlare är bättre än för pyrolysgas förbränning för att leverera energi. De ekonomiska resultaten och brytpunkten används för att beräkna lägsta försäljningspris, återbetalningstid och känslighetsanalys. Det beräknade lägsta försäljningspriset för hårt kol är cirka 20 kr/kg, vilket ligger inom intervallet för gällande marknadspris, och återbetalningstiden är cirka 16 år. Om elpriserna fortsätter att stiga från resultaten av känslighetsanalysen kan ekonomin med att använda krackad gas bli mer betydande.

Unternehmen stehen zunehmend vor der Herausforderung, dem drohenden Wissensverlust durch demografischen Wandel und Mitarbeiterabgang zu begegnen. In Zeiten voranschreitender Digitalisierung gilt es, große Datenmengen beherrschbar und nutzbar zu machen, mit dem Ziel, einerseits die Ressourceneffizienz innerhalb des Unternehmens zu erhöhen und anderseits den Kunden zusätzliche Dienstleistungen anbieten zu können. Vor dem Hintergrund, ein effizientes Qualitätsmanagement und eine vorausschauende Instandhaltung mit ein und demselben System zu realisieren, sind zunächst technologische Kennzahlen und die Prozessführung zu bestimmen. Im Bereich der intelligenten Instandhaltung ist es jedoch nicht immer möglich, Fehlerzustände von physischen Anlagen im Serienbetrieb als Datensatz abzufassen. Das bewusste Zulassen von Fehlern unter realen Produktionsbedingungen könnte zu fatalen Ausfällen bis hin zur Zerstörung der Anlage führen. Auch das gezielte Erzeugen von Fehlern unter stark kontrollierten Bedingungen kann zeitaufwendig, kostenintensiv oder sogar undurchführbar sein.

Companies are increasingly challenged by the impending loss of knowledge due to demographic change and employee loss. In times of advancing digitalization, it is important to make large datasets accessible and usable, aiming at increasing resource efficiency within the company on the one hand and being able to offer customers additional services on the other. Given the background of implementing efficient quality management and predictive maintenance with the same system, technological key figures and process control must first be determined. In the field of intelligent maintenance, however, it is not always possible to record error states of physical systems in series operation as a data set. Deliberately allowing faults to occur under real production conditions could lead to fatal failures or even the destruction of the system. The targeted generation of faults under highly controlled conditions can also be timeconsuming, cost-intensive, or even impractical.

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.

In der vorliegenden Habilitationsarbeit wurden technisch-konstruktive Lösungsansätze basierend auf einem entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodell zur Entwicklung/Charakterisierung eines physikalischen Prozesswirkprinzips des betrachteten Mikro- und Hochleistungs- sowie Orbital-Plasma-Schweißprozesses und dessen physikalischer Effekte entwickelt. Dabei wurden die differenten Einflussgrößen beim Plasmaschweißprozess erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Schweißprozessverhalten und Brennerkonstruktion charakterisiert. Die damit gewonnenen Ergebnisse wurden zur werkstofflichen, technisch-konstruktiven Entwicklung der Brennerkopfmodelle hinsichtlich der Ausführungsgeometrien des Prozessgaszuführungs- und Brennerkühlsystems genutzt. Im Rahmen des erarbeiteten thermomechanischen Simulationsmodells wurden die beim Plasma-Auftragschweißen von Verbundbauteilen auftretenden Temperaturfelder, Verformungen und Eigenspannungen vorausbestimmt, untersucht und analysiert. Mittels des erarbeiteten Simulationsmodells wurden werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen zur Minimierung/Beeinflussung schweißbedingter Verformungen und Eigenspannungen simulativ untersucht und bewertet. / In this work, technical and constructive solutions were developed based on simulation models (process and structural) for fluid mechanical, thermomechanical and magneto-hydrodynamic effects. The simulation process included improving and characterising the physical operating principles for micro plasma welding, high performance plasma welding and orbital plasma welding. Also, the physical effects for the above plasma welding processes were studied and analysed. From these different physical properties of the parameters for the plasma welding processes, and their effects on plasma welding process behaviour and torch design were analysed and characterised. The results were used for the development and construction of plasma welding torch models, which included material selection and geometrical design such as, process gas supply design, torch cooling system design, and other related torch designs. By developing the thermomechanical simulation model, deformations and residual stresses that were generated by heating during the plasma welding process were investigated and analysed. The developed thermomechanical model included material, structural and welding specifications such as buffering and preheating. Simulations utilizing this model were used in order to reduce the residual stresses and deformations of the welded components.

In der vorliegenden Arbeit wird ein prozessübergreifendes Simulationsmodell für die Temperatur- und Gefügeentwicklung im Band und Coil beim reversierenden Warmwalzen entwickelt. In der Software werden die erstmals aufgestellten Modelle der Bandab- und aufwicklung implementiert. Die Temperatur- und Gefügeveränderungen im gewalzten Warmband werden lokal und prozessübergreifend betrachtet. Die für das gesamte Modell notwendigen Koeffizienten zur Beschreibung der Wärmeübertragung wurden mittels der inversen Methode bestimmt. Die Bestimmung der radialen Wärmeübertragung im Coil erfolgte mit Hilfe von Laboruntersuchungen in Abhängigkeit von der Temperatur, der Banddicke und des radialen Druckes. Die Validierung des Modells für die Temperatur- und Gefügeentwicklung erfolgte am Beispiel des reversierenden Warmwalzens der Magnesiumlegierung AZ31. Zu diesem Zweck wurden Versuche zu Temperaturmessungen in den einzelnen Phasen der Prozesskette durchgeführt. Die Ermittlung der Einflüsse der Umformbedingungen auf die Temperatur- und Gefügeentwicklung während des reversierenden Warmbandwalzens erfolgte abschließend mit Hilfe des entwickelten Modells. Die Ergebnisse zeigen auf, wie sich die Walzbedingungen auf die Entwicklung der Temperatur und des Gefüges auswirken.

In der vorliegenden Habilitationsarbeit wurden technisch-konstruktive Lösungsansätze basierend auf einem entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodell zur Entwicklung/Charakterisierung eines physikalischen Prozesswirkprinzips des betrachteten Mikro- und Hochleistungs- sowie Orbital-Plasma-Schweißprozesses und dessen physikalischer Effekte entwickelt. Dabei wurden die differenten Einflussgrößen beim Plasmaschweißprozess erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Schweißprozessverhalten und Brennerkonstruktion charakterisiert. Die damit gewonnenen Ergebnisse wurden zur werkstofflichen, technisch-konstruktiven Entwicklung der Brennerkopfmodelle hinsichtlich der Ausführungsgeometrien des Prozessgaszuführungs- und Brennerkühlsystems genutzt. Im Rahmen des erarbeiteten thermomechanischen Simulationsmodells wurden die beim Plasma-Auftragschweißen von Verbundbauteilen auftretenden Temperaturfelder, Verformungen und Eigenspannungen vorausbestimmt, untersucht und analysiert. Mittels des erarbeiteten Simulationsmodells wurden werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen zur Minimierung/Beeinflussung schweißbedingter Verformungen und Eigenspannungen simulativ untersucht und bewertet. / In this work, technical and constructive solutions were developed based on simulation models (process and structural) for fluid mechanical, thermomechanical and magneto-hydrodynamic effects. The simulation process included improving and characterising the physical operating principles for micro plasma welding, high performance plasma welding and orbital plasma welding. Also, the physical effects for the above plasma welding processes were studied and analysed. From these different physical properties of the parameters for the plasma welding processes, and their effects on plasma welding process behaviour and torch design were analysed and characterised. The results were used for the development and construction of plasma welding torch models, which included material selection and geometrical design such as, process gas supply design, torch cooling system design, and other related torch designs. By developing the thermomechanical simulation model, deformations and residual stresses that were generated by heating during the plasma welding process were investigated and analysed. The developed thermomechanical model included material, structural and welding specifications such as buffering and preheating. Simulations utilizing this model were used in order to reduce the residual stresses and deformations of the welded components.

- An Plasmaschweißbrennern treten starke thermomechanische Beanspruchungen aufgrund der ablaufenden thermophysikalischen Teilprozesse auf. Diese können durch funktionsgerechte werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Brennergestaltung bewerkstelligt und die Thermobilanz und Lebensdauer der Brenner verbessert werden. - Anhand des entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodells wurden werkstofflich-konstruktive Lösungsansätze für Entwicklung von physikalischen Prozesswirkprinzipien der betrachteten Plasma-Schweißprozessvarianten erarbeitet. - Differente Einflussgrößen des Plasmaschweißprozesses wurden erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Prozessverhalten und Brennerkonstruktion ermittelt. - Die damit gewonnenen Erkenntnisse wurden für werkstoffliche, technisch-konstruktive Brennerentwicklung bzgl. der Ausführungsgeometrien, Prozessgaszuführung und Brennerkühlung genutzt.

Thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile im Automobil erfordern den Einsatz hochbeständiger Werkstoffe, bei gleichzeitig niedrigen Materialkosten und effizienter Verarbeitung. Rieselfähige Phenolharzformmassen zeichnen dabei eine Werkstoffklasse aus, die aufgrund ihres Eigenschaftsprofils neue Anwendungsbereiche für einen polymeren Werkstoffeinsatz ermöglichen können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden im Hinblick auf eine Bauteilentwicklung mithilfe der integrativen Simulation die Grundlagen einer ganzheitlichen Simulationskette der Prozess- und Struktursimulation von rieselfähigen Phenolharzen mit Kurz- und Langglasfaserverstärkung erarbeitet. Das auf Basis umfangreicher Prozessuntersuchungen abgeleitete Strömungsverhalten kann mithilfe des Block-/Scherströmungsmodells beschrieben werden. Die Ergebnisse der Mikrostrukturanalyse zeigen jedoch eine Orientierungsdynamik der Fasern, welche zum gegenwärtigen Zeitpunkt mithilfe der empirischen Modelle der klassischen Spritzgießsolver nicht abgebildet werden kann. Die mikromechanische Materialmodellierung erfolgt entsprechend an der experimentell ermittelten Mikrostruktur, welche die Berücksichtigung von Faserbündelungen und -krümmungen in der mechanischen Strukturanalyse erlaubt. Das abgeleitete elastoplastische Materialmodell wird zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens unter harmonischer und nichtharmonischer Schwingbeanspruchung um ein zyklisches Versagensmodell erweitert, welches eine mittellast- und temperaturunabhängige Berechnung unter Berücksichtigung der Anisotropie ermöglicht. Die Validierung der statischen und schwingenden Beanspruchung erfolgt an einer einfachen Probestabgeometrie sowie einem Strukturbauteil, einem PKW-Motorträger. / Thermally and mechanically highly stressed automotive components require the use of highly resistant materials, with low material costs and efficient processing. Phenolic resin molding compounds represent a class of materials, which can open up new applications for a polymeric material use due to their property profile. In the present work, the fundamentals of a simulation chain of fluid mechanical and structural simulation of phenolic resins with short and long glass fiber reinforcement are developed, with a view to component development using integrative simulation. Based on extensive process investigations the derived flow behavior can be described using the block/ shear flow model. However, the results of microstructure analysis show a dynamic of fiber orientation, which can not be predicted at the present time using the empirical models of classical injection molding simulation. Accordingly, the micromechanical modeling is carried out at the experimentally determined microstructure. That allows the inclusion of fiber bundling and bending in the mechanical structure analysis. The derived elastoplastic material model is extended by a fatigue failure model to predict the fatigue behavior under harmonic and non-harmonic cyclic stress which allows a calculation taking into account the anisotropy, the stress ratio and the temperature. The validation of the static stress and fatigue is performed both on a simple test bar geometry and a structural component, an automotive engine bracket.

• Für eine exakte Lichtbogenpositionierung zum Schweißpunkt werden beim Roboter – WIG-Schweißprozess folgende technische Anforderungen am Brennerkopf und dessen Wechselsystem gestellt wie: konstante Wärmeableitung und -führung im Brennerkopfbereich, schnelle Wechsel von Verschleißteilen insbesondere der Kathode, reproduzierbare Wechsel der Schweißbrennerköpfe. • Entwicklung eines neuartigen physikalischen Wirkprinzips auf Basis der Wärmeableitung – Heatpiperohr zur Gestaltung einer optimierten Wärmebilanz und Brennerkopfkühlung. • Mit dem entwickelten thermo – strömungs-mechanischen/magneto-hydro-dynamischen FE-Modells wurde die technisch-konstruktive Brennerkonstruktion mit der integrierten Wärmeableitung – Heatpiperohr für ein äußerst effektives Brennerkühlsystem unter Variation der Schweißprozessparameter zur Erzielung einer höheren Brennerdauerbelastung prozesstechnisch untersucht, analysiert und erkenntnisbezogen optimiert. • Beeinflussbar sind Lichtbogenausbildung, dessen Intensität, Verhalten sowie Temperatur- und Strömungsverhältnisse durch Prozessparameter.