Für die Herstellung von Bindemittel- und Kunststofffreien Naturfaserformteilen stehen die Prozesse Faserguss und Pressspan zu Verfügung. Beide sind durch klare Nachteile geprägt. Außerdem besteht zur Herstellung von Naturfaserformteilen eine Entwicklungslücke. Ua. diese bedingt, dass Naturfaserformteile wenig angewendet werden. Das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren der Vakuumpresstrocknung ermöglicht es auf eine neuartige Weise Naturfaserformteile herzustellen. Neben der Entwicklung selbst, werden Vergleiche zu herkömmlichen Herstellungsmethoden gezogen, die Prozessparameter untersucht, Trocknungsspezifiken diskutiert und ein Umweltwirkungsvergleich durchgeführt. Als Demonstrationsobjekt wird ein Freischwinger Panton Chair als Faservariante hergestellt.:Abkürzungsverzeichnis vii 1 Einleitung 1 1.1 Werkstoff des 19. Jahrhunderts 1 1.2 Motivation und Zielsetzung 3 1.3 Struktur der Arbeit 4 2 Stand der Technik 7 2.1 Nachhaltiges Wirtschaften und Werkstoffe 7 2.1.1 Ziele und Strategie der Bioökonomie 7 2.1.2 Vergleich der Naturfaserstoffe zu Kunststoffen 9 2.2 Materialien und Methoden zur Herstellung von Formteilen 13 2.2.1 Rohstoffe für Faserformteile 13 2.2.2 Urformender Fasergussprozess und dessen Trocknung 15 2.2.3 Presstrocknung sogenannter Pressspanerzeugnisse 19 2.2.4 Weiterentwicklung der Faserformverfahren 21 2.3 Trocknung relevanter Naturstoffe 24 2.3.1 Begriffe Feuchte, Wassergehalt und Trockengehalt 24 2.3.2 Trocknungsarten 24 2.3.3 Trocknung hygroskopischer kapillarporöser Stoffe 26 2.4 Zusammenfassung des Standes der Technik 29 3 Entwicklung der Vakuumpresstrocknung 31 3.1 Ideenentwicklung 31 3.1.1 Verfahrensanforderungen 31 3.1.2 Technischer Widerspruch 33 3.1.3 Lösungsprinzip Vakuum 35 3.2 Umsetzung der Vakuumpresstrocknung 37 3.2.1 Technische Veränderungen 37 3.2.2 Aufbau und technische Materialien 38 3.2.3 Ablauf der Vakuumpresstrocknung 40 4 Untersuchung der Vakuumpresstrocknung 43 4.1 Test der Funktion 43 4.1.1 Referenz Rapid-Köthen-Prozess 43 4.1.2 Materialien und Methoden des Funktionstests 43 4.1.3 Ergebnisse des Rapid-Köthen-Vergleiches 46 4.2 Priorisierung der Einflussgrößen 50 4.2.1 Einflussgrößen der Vakuumpresstrocknung 50 4.2.2 Material und Methode der Einflussgrößenuntersuchung 51 4.2.3 Ergebnisse der Priorisierung 53 4.3 Berechnung der Trocknungszeit 56 4.3.1 Material und Methode der Trocknungszeitberechnung 56 4.3.2 Versuchsdurchführung zur Bestimmung der Trocknungszeit 57 4.3.3 Ergebnisse der Trocknungszeitbestimmung 58 4.3.4 Beurteilung der Güte des Regressionsmodells 60 4.4 Charakteristik der Vakuumpresstrocknung 61 4.4.1 Grundprinzip der Reduzierung des Systemdruckes 61 4.4.2 Phasen der Vakuumpresstrocknung 62 4.4.3 Trocknungsgeschwindigkeit 66 4.4.4 Wärme- und Stofftransport der Vakuumpresstrocknung 69 4.5 Zusammenfassung der Verfahrensuntersuchungen 75 5 Materialspezifische Effekte bei der Vakuumpresstrocknung 77 5.1 Verwendete Fasermaterialien 77 5.2 Verarbeitungs- und Untersuchungsmethoden der Fasermaterialien 79 5.2.1 Untersuchung der chemischen Zusammensetzung 79 5.2.2 Morphologische Untersuchungen 80 5.2.3 Untersuchung der Entwässerungseigenschaften 80 5.2.4 Herstellung und Untersuchung von Blättern und -Platten 81 5.3 Ergebnisse der Fasermaterialvariation 84 5.3.1 Faser- und Faserstoffeigenschaften 84 5.3.2 Eigenschaften der Materialproben 89 5.3.3 Beeinflussung der Trocknung durch Materialart und -formation 96 5.4 Zusammenfassung der Fasermaterialvariation 102 6 Anwendung der Vakuumpresstrocknung 105 6.1 Auswahl des Objektes 105 6.2 Herstellung des Panton Chair als Demonstrator 105 6.3 Trocknungstemperatur in Theorie und Praxis 108 7 Ökonomische Einordnung der Vakuumpresstrocknung 111 7.1 Ziel und Durchführung der Untersuchung 111 7.2 Kostenvergleich 113 7.2.1 Vergleich zur Pressspan-Bandagentrocknung 113 7.2.2 Vergleich zu 3D Druck und Spritzguss 115 7.2.3 Maßnahmen der Kostensenkung 117 8 Umweltwirkung des Demonstrators 121 8.1 Ziel und Untersuchungsrahmen 121 8.1.1 Zielstellung 121 8.1.2 Untersuchungsrahmen 122 8.2 Sachbilanz und Wirkungsabschätzung 125 8.2.1 Verarbeitung Kunststoff 125 8.2.2 Recycling 127 8.3 Zusammenfassung der Umweltwirkung 132 9 Zusammenfassung 133 Literaturverzeichnis 137 Abbildungsverzeichnis 147 Tabellenverzeichnis 151 Anhang 155

Die Regeneration und Rekonstruktion von Knochendefekten stellt eine klinische Herausforderung dar. Überschreitet ein knöcherner Defekt eine kritische Größe, ist das Regenerationsvermögen des Körpers nicht ausreichend, um den Defekt vollständig mit Knochengewebe zu schließen. Um das Einwachsen von Bindegewebe und den Verlust der Stützfunktion des Knochens zu verhindern, ist es notwendig, einen solchen Defekt mit einem Knochenersatzmaterial zu versorgen. Bei Patienten mit einer systemischen Skeletterkrankung, wie Osteoporose, liegen erschwerte Bedingungen für den Heilungsprozess vor. Osteoporose bedingt ist die Remodellierung des Knochens beeinträchtigt. Dies äußert sich in einer verzögerten Knochenheilung sowie in einer veränderten Knochenarchitektur und entstehenden Mikrofrakturen. Die Kombination aus der Fragilität des osteoporotischen Knochens und einer altersbedingten erhöhten Sturzgefahr resultiert in einem mit zunehmendem Alter steigenden Frakturrisiko. Knochendefekte und pathologische Frakturen, die Patienten im Verlauf einer postmenopausalen oder altersbedingten Osteoporose entwickeln, betreffen häufig die Wirbelsäule oder den Schenkel-hals. Die nur langsam oder nahezu nicht heilenden Frakturen gehen nicht nur mit Schmerzen einher, sondern schränken die Patienten auch funktionell in ihrem Alltag ein und können zur Pflegebedürftigkeit und Bettlägerigkeit führen. Die medizinische Versorgung solcher Defekte und Frakturen mit geeigneten Knochenersatzmaterialien ist nicht nur eine klinische, sondern eine interdisziplinäre Problemstellung.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung der komplexen Belastungssituation beim Tiefziehen mit unmittelbarer Kompression von Karton innerhalb geeigneter Ersatzversuche und deren Validierung mit Hilfe eines empirischen Models. Das Tiefziehen mit unmittelbarer Kompression stellt eine Möglichkeitzur Herstellung von dreidimensionalen Hohlkörpern mit hohem Umformgrad aus naturfaserbasierten, flächigen Halbzeugen mit geringem Vorfertigungsgrad dar.Aufbauend auf der Darstellung und Abgrenzung des Umformverfahrens werden relevante Prozessgrößen und deren Charakterisierung durch geeignete Ersatzversuche aus dem Stand der Wissenschaft recherchiert und bewertet. Zudem werden Möglichkeiten erörtert, die Ergebnisse der Ersatzversuche mit den Daten aus dem Umformverfahren zu vergleichen. Aus den technischen und wissenschaftlichen Defiziten ergibt sich die Zielsetzung und weitere Vorgehensweise dieser Arbeit.Zur Lösung der Problemstellung werden den identifizierten Prozessgrößen geeignete Ersatzversuche aus dem Stand der Technik zugeordnet bzw. neue Ersatzversuche entwickelt und im Rahmen eines modularen Versuchsstandes technisch umgesetzt. Zur Vorbereitung der experimentellen Analyse der ausgewählten Ersatzversuche werden Referenzversuche mit dem Umformverfahren innerhalb festgelegter Parametergrenzen durchgeführt. Bei der anschließenden Durchführung der Ersatzversuche wird vor allem die Verlässlichkeit der Ergebnisse berücksichtigt, indem die Anzahl der Versuche jeder Versuchsreihe an die Ergebnisauswertung angepasst wird.Durch die Modifikation des Umformverfahrens können die Ergebnisse der Ersatzversuche innerhalb eines stufenweise komplexer werdendes, empirischen Modelsmit denen des Referenzversuchs verglichen und bewertet werden. Die Charakterisierung der Prozesskraftkomponenten wird für vier faserbasierte Materialien durchgeführt,die teilweise mit einer polymeren Funktionsschicht ausgestattetsind.Abschließend werden die Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst dargestellt und daraus folgende Forschungsansätze abgeleitet. / The purpose of this thesis is to present a newly developed method to investigate thecomplexload situation during the deep-drawing of paperboard within suitable substitute tests and its validation withinan empirical model.Deep drawing with direct compression represents analternativefor the production of three-dimensional traysfrom natural, fiber-based materials with a low degree of prefabrication.Based on the definition and description of the deep-drawing process within the literature, relevant process forces and associated substitute tests are identifiedand discussed. In addition, approachesare discussed to compare the results of the substitute tests with the data from the deep-drawingprocess. The objective and further procedure of this thesisresults from the technical and scientific deficits.The approach of this thesisis it to present a new, modular testing rig based on the substitute test which were chosen from the literature or were newly developed.In preparation ofthe experimental analysis of the selected substitutetests, reference tests are carried out with the forming process within specified parameter limits. In the subsequent implementation of the substitutetests, the reliability of the results is consideredabove all by adapting the number of tests in each test series parallel to the evaluation of the results. By modifying the forming process, the results of the substitute tests can be compared and evaluated with those of the reference test within an empirical model that becomes progressively more complex. The characterization of the process force components iscarried out for four fiber-based materials, some of which are equipped with a polymer functional layer.Finally, the results of this work are summarized,and the following research approaches are derived from them.

Neuartige Hybridgarn-Textil-Thermoplaste (HGTT) ermöglichen die automatisierte Fertigung von Faserverbundbauteilen in serienfähigen Taktzeiten. Im Rahmen des Produktionstechnischen Zentrums der TU Dresden (ProZeD) und mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung wurde ein solcher Fertigungsprozess entwickelt und gestaltet. In diesem wird das Bauteil in zwei wesentlichen Schritten aus textiler Rollenware durch einmaliges Erwärmen und Konsolidieren bei gleichzeitiger Formgebung hergestellt. Im ersten Schritt erfolgt der endkonturnahe Zuschnitt, sowie für dickwandigere Bauteile das Übereinanderlegen mehrerer textiler Preforms und deren Fixierung gegen Verrutschen. Für diesen Prozessschritt wurden das Plasmaschneiden als Trennverfahren von HGTT untersucht und ein Abwicklungsmechanismus für die Rollenware sowie ein Greifersystem für das verzugsfreie Handling der Preform entwickelt. Kernstück der technischen Umsetzung ist dabei eine Parallelkinematik, die a) den Plasmabrenner zum Ausschneiden der Preform führt, b) das Handling der Lagen übernimmt und c) durch optische Überwachung der Faserlage die Qualität sichert. Im zweiten Prozessschritt wird in einem angetriebenen Werkzeug das Material durch Heißpressen konsolidiert. Zur Sicherung einer effektiven Temperierung wird beim Werkzeug auf das MELATO-Prinzip zurückgegriffen und dessen mögliche Einsatzbedingungen untersucht. Ziel von EFFEKT ist es, den Prozess zur Serienreife weiter zu entwickeln, d. h. durch Optimierung der Prozessparameter die Taktzeiten zu minimieren, die gleichbleibende Qualität des Fertigteils sicherzustellen sowie ohne Verschnitt und Ausschuss ressourcenschonend zu fertigen.:1. EFFEKT - Effiziente Fertigungsprozesse für endkonturnahe Thermoplastverbundbauteile; Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik 2. Beanspruchungsgerechte Faserverbundstrukturen aus Hybridgarn-Textil-Thermoplasten (HGTT); Dipl.-Ing. Michael Krahl, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik 3. Automatische Zuschnittgenerierung und Strukturfixierung für textile Verstärkungsstrukturen; Dr.-Ing. Nuoping Zhao, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik 4. Trennen von technischen Textilien mittels Plasma; Dr.-Ing. Katerina Machowa, Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik 5. Automatisierung des Modellverarbeitungsprozesses; Dipl.-Ing. Christian Friedrich, Dipl.-Ing. Mirko Riedel, Dipl.-Ing. Christer Schenke, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik 6. Prozessbegleitende Qualitätssicherungsmaßnahmen für eine automatisierte presstechnische Fertigung; Dipl.-Ing. Sirko Geller, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik 7. Konzept für ein quasiangetriebenes Werkzeug (QAW); Dipl.-Wirt.-Ing. Kanchalika Borriboon, Institut für Formgebende Fertigungstechnik 8. Potenziale von MELATO-Werkzeugen für Heißpressen; Dr.-Ing. Hanno Kötter, Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik 9. Integration betriebswirtschaftlicher Anforderungen in den Forschungsprozess; Dipl.-Kfm. Thomas Niemand, Lehrstuhl für Marketing

Digitally controlled inkjet printing technology has attractive features for the production of catalyst coated membranes (CCM) for application either in electrolysers or in fuel cells. There are a number of unique features: pattern like coating for effective use of expensive materials like platinum or iridium, direct deposition onto membrane material, non-impact printing, easy change of pattern design, and ability to generate catalytic gradients. Employing inkjet printing technology enables the manufacturing of catalytic layers as well as other components. The challenges are to evaluate process-compatible inks as well as processing parameters. / Die digital gesteuerte Inkjetdrucktechnologie hat attraktive Eigenschaften für die Herstellung von katalysatorbeschichteten Membranen (CCM), die entweder in Elektrolyseuren oder in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Es gibt eine Reihe einzigartiger Merkmale: mustergenaue Beschichtung für den effektiven Einsatz teurer Materialien wie Platin oder Iridium, direkte Bedruckung des Membranmaterials, berührungsfreies Drucken, einfache Änderung des Druckdesigns und die Fähigkeit, katalytische Gradienten zu erzeugen. Der Einsatz der Inkjetdrucktechnologie ermöglicht die Herstellung von katalytischen Schichten und anderen Komponenten. Die Herausforderungen bestehen darin, prozesskompatible Tinten sowie Verarbeitungsparameter zu evaluieren.

Werkstoffe auf Basis duroplastischer Harze besitzen exzellente Gebrauchseigenschaften für viele Bereiche des industriellen Einsatzes. Vor allem durch die Spritzgießverarbeitung rieselfähiger duroplastischer Formmassen entsteht ein hohes Substitutionspotential gegenüber Bauteilen aus Metallen oder Hochleistungsthermoplasten. Jedoch führen bestehende Erkenntnisdefizite im Prozessverständnis zu Ressentiments hinsichtlich des Einsatzes duroplastischer Werkstoffe. Ziel der Untersuchungen dieser Arbeit war die Ermittlung und Analyse der prozessinduzierten Werkstoffstruktur von spritzgegossenen technischen Phenolharzformteilen. Dabei wurden zum einen das Füllen der Werkzeugkavität und die sich ausbildende Faserorientierung untersucht und zum anderen die sich während des Temperns verändernde chemische Struktur. Anhand von Platten- sowie Zugprüfkörpern wurden sowohl beim Spritzgießen als auch beim Tempern Parametervariationen durchgeführt und die jeweils resultierende Werkstoffstruktur sowie deren Einfluss auf die Formteileigenschaften analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strömungsverhältnisse während der Werkzeugfüllung stark von den Prozessparametern und der Werkstoffzusammensetzung abhängig sind. Dadurch wird auch die Faserorientierung beeinflusst, sodass im Formteil lokal und richtungsabhängig stark unterschiedliche Eigenschaften entstehen können. Darüber hinaus konnte anhand einer alternativen Tempermethode geklärt werden, warum es beim Tempern zu einem Abfall der mechanischen Eigenschaften kommt und eine Möglichkeit zur Vermeidung gegeben werden. / Because of their excellent properties, thermosets can be applied in a bright range of industrial applications. Especially thermoset molding compounds can be processed highly effective by injection molding, which enables them to substitute metals or high performance thermoplastics. But there is a deficit in process understanding, which limits the industrial application. The objective of this work is the investigation and analysis of the process induced material structure of injection molded technical phenolic components. Therefor the filling of the cavity with the resulting fiber orientation and the chemical processes during post-curing were examined. A parameter variation with injection molded plate and tensile specimens were done and the resulting material structure and the effect on the component properties were analyzed. The results show a big influence of the process parameter and the material on the flow condition during the filling of the cavity. Thereby also the fiber orientation is affected. This leads to process-depending local and direction-depending properties. In addition, this work shows an alternative method for post-curing to avoid the decrease of mechanical properties.

Neuartige Hybridgarn-Textil-Thermoplaste (HGTT) ermöglichen die automatisierte Fertigung von Faserverbundbauteilen in serienfähigen Taktzeiten. Im Rahmen des Produktionstechnischen Zentrums der TU Dresden (ProZeD) und mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung wurde ein solcher Fertigungsprozess entwickelt und gestaltet. In diesem wird das Bauteil in zwei wesentlichen Schritten aus textiler Rollenware durch einmaliges Erwärmen und Konsolidieren bei gleichzeitiger Formgebung hergestellt. Im ersten Schritt erfolgt der endkonturnahe Zuschnitt, sowie für dickwandigere Bauteile das Übereinanderlegen mehrerer textiler Preforms und deren Fixierung gegen Verrutschen. Für diesen Prozessschritt wurden das Plasmaschneiden als Trennverfahren von HGTT untersucht und ein Abwicklungsmechanismus für die Rollenware sowie ein Greifersystem für das verzugsfreie Handling der Preform entwickelt. Kernstück der technischen Umsetzung ist dabei eine Parallelkinematik, die a) den Plasmabrenner zum Ausschneiden der Preform führt, b) das Handling der Lagen übernimmt und c) durch optische Überwachung der Faserlage die Qualität sichert. Im zweiten Prozessschritt wird in einem angetriebenen Werkzeug das Material durch Heißpressen konsolidiert. Zur Sicherung einer effektiven Temperierung wird beim Werkzeug auf das MELATO-Prinzip zurückgegriffen und dessen mögliche Einsatzbedingungen untersucht. Ziel von EFFEKT ist es, den Prozess zur Serienreife weiter zu entwickeln, d. h. durch Optimierung der Prozessparameter die Taktzeiten zu minimieren, die gleichbleibende Qualität des Fertigteils sicherzustellen sowie ohne Verschnitt und Ausschuss ressourcenschonend zu fertigen.

Die Kunststoffschweißverfahren Infrarot- und Vibrationsschweißen sind in der Serienfertigung etablierte Fügetechnologien. Sie sind durch eine wirtschaftliche und effiziente Prozessführung gekennzeichnet und sind verfahrenstechnisch prinzipiell zum Einsatz im Apparate-, Behälter- und Rohrleitungsbau geeignet. Aufgrund fehlender Erkenntnisse und Nachweise zum Zeitstandverhalten ist die Anwendung dieser Verfahren im Halbzeugbereich jedoch nur eingeschränkt möglich. Im Rahmen der Untersuchungen wurden das Vibrations- und Infrarotschweißen hinsichtlich ihres Potentials für Langzeitanwendungen mit dem konventionellen Halbzeugschweißverfahren Heizelementschweißen verglichen und erreichbare Zeitstandzug-Schweißfaktoren ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl für das Vibrations- als auch Infrarotschweißen, in Abhängigkeit der Prozessparameter, Zeitstandzug-Schweißfaktoren von ca. 0,7 bis 0,9 erreicht werden. Darüber hinaus führen die Resultate dieser Arbeit zu einer Erweiterung der Wissensbasis über die Mechanismen des Zeitstandbruchverhaltens geschweißter Polyolefinhalbzeuge. Die für die Kurzzeitfestigkeit von Vibrations- und Infrarotschweiß-verbindungen vielfach nachgewiesene Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation wurde für die Zeitstandfestigkeit erforscht und angewendet. / The infrared and vibration welding processes are joining technologies established in series fabrication. They are characterised by their economically viable and efficient process management and they are suitable for utilisation in apparatus, tank and pipeline construction. However, their application in the field of semi-finished procucts is restricted due to the lack of knowledge and proof in relation to the Environmental Stress Cracking (ESC). Within the framework of the research, the vibration and infrared welding processes were compared with the conventional welding process heated tool butt welding. Furthermore achievable tensile creep welding factors were determined. The results show achievable tensile creep welding factors from ca. 0.7 to 0.9 for the vibration welding process as well as for the infrared welding process dependent on their process parameters. Moreover, the knowledge base of the mechanisms of the failure behaviour of welded joints between semi-finished products undergoing ESC was extended. The process-structure-property correlation, which has been proven for the short-term strength of vibration and infrared welded joints many times, was investigated and applied for the long-term strength.

Um den Spritzgießprozess zu simulieren, sind korrekte Materialdaten nötig. Diese Daten umfassen Viskositätsmodelle, Wärmekapazitätskoeffizienten, Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, PVT-Modelle und bei reaktiven Materialien Härtungsmodelle. Bei der Spritzgießsimulation von Thermoplasten sind die Materialdaten in der Regel in den Simulationstools verfügbar. Der Anwender kann problemlos Thermoplastmaterialdaten auswählen, die bereits in die Materialdatenbank der Simulationswerkzeuge eingebettet waren, um die gesamten Phasen des Thermoplastspritzgießprozesses zu simulieren. Bei der Duroplastspritzgießsimulation sind nur begrenzt Materialdaten vorhanden und selten aus der Datenbank der Simulationswerkzeuge verfügbar, da sie nicht nur bei der Messung rheologischer und thermischer Eigenschaften, sondern auch bei der Modellierung rheologischer und kinetischer mathematischer Modelle kompliziert sind. Daher ist es notwendig, eigene Materialdaten zu generieren. Um dieses Problem zu lösen, bedarf es einer umfangreichen Wissensbasis bei der Messung von Materialeigenschaften sowie der Erstellung eines Optimierungsalgorithmus´. Um den Prozess des duroplastischen Spritzgießens exakt zu simulieren, bedarf es zudem fundierter Kenntnisse über die Formfüllungseigenschaften dieser Materialien. Die Untersuchung des Fließverhaltens von duroplastischen Spritzgießmassen im Inneren der Kavität ist jedoch nicht ausreichend beschrieben. Bisher gab es noch keine veröffentlichten Hinweise, die zeigen, wie man aus experimentellen Messdaten (thermische und rheologische Daten) für den reaktiven Spritzgießsimulationsprozess komplette Materialdaten für Duroplaste erzeugen kann. Diese Probleme führen zu einer Abhängigkeit der Anwender von der Materialdatenbank der Simulationssoftware, was zu einer Einschränkung der Anwendung der Computersimulation in der duroplastischen Spritzgießsimulation und dem Vergleich zwischen experimentellen und Simulationsergebnissen führt. Darüber hinaus stellt sich die Frage, ob es beim Füllen der Kavität ein Wandgleiten zwischen Duroplastschmelze und Wandoberfläche gibt oder nicht. Aus diesem Grund wird die Wirkung des Wandgleitens auf die Kavitätenoberfläche bei der Simulation des duroplastischen Spritzgießens immer noch vernachlässigt. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf drei wichtige wissenschaftliche Ziele. Das erste ist die Innovation eines neuen technischen Verfahrens zur physikalischen Erklärung des Formfüllverhaltens von duroplastischen Spritzgießmassen. Das zweite Hauptziel ist die Entwicklung einer numerischen Methode zur Erstellung eines duroplastischen Materialdatenblattes zur Simulation der Formfüllung von duroplastischen Spritzgießmassen. Schließlich wird die Erstellung von Simulationswerkzeugen auf der Grundlage der physikalischen Gegebenheiten und des erzeugten Materialdatenblattes durchgeführt. / To simulate the injection molding process, it is necessary to set material data. The material data for an injection molding process must include a viscosity model and its fitted coefficients, heat capacity coefficients, thermal conductivity coefficients, a PVT model and its coefficients, a curing model and its coefficients (only for reactive injection molding). With thermoplastics injection molding simulation, the material data is generally available from simulation tools. Users could easily choose thermoplastics material data that was already embedded in the material data bank of simulation tools to simulate the entire phases of thermoplastics injection molding process. However, with thermosets injection molding simulation, the material data is found in limited sources and seldom available from data bank of simulation tools because of complication not only in rheological and thermal properties measurement but also in modeling rheological and cure kinetics mathematical models. Therefore, with thermoset injection molding compounds that its material data bank has not been found in data bank of simulation tools, before setting material data, it is necessary to create its own material data that simulation packages do not supply a tool. Therefore, to solve this problem, it requires an extensive knowledge base in measurements of material properties as well as optimization algorithm. In addition, to simulate exactly the thermosets injection molding compound process, it requires a profound knowledge in the mold filling characteristics of thermoset injection molding compounds. However, investigation of flow behavior of thermosets injection molding compounds inside the mold has not been adequately described. Up to now, there has not been any article that shows a complete way to create thermoset material data from measured experimental data (thermal data and rheological data) for the reactive injection molding simulation process. These problems are leading to the users ‘dependency on the material data bank of simulation tools, leading to restriction in application of computer simulation in the thermoset injection molding simulation and comparison between experimental and simulation results. Furthermore, there is still a big question related to whether there is or no slip phenomenon between thermosets melt and the wall surface during filling the cavity, for which has not yet been found an exact answer. Because of this the effect of wall slip on the cavity surface is still ignored during thermoset injection molding simulation process. This thesis focused on three key scientific goals. The first one is innovation of a new technical method to explain the mold filling behavior of thermoset injection molding compounds physically. The second key goal is developing numerical method to create thermoset material data sheet for simulation of mold filling characterizations of thermoset injection molding compounds. Finally, creating a simulation tool base on the physical technique and generated material data sheet.

Die vollständige Ausnutzung des Leichtbaupotentials bei der Dimensionierung von mehrschichtigen endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen erfordert die Bereitstellung von geeigneten Optimierungswerkzeugen, da bei der Auslegung eine große Anzahl von Entwurfsvariablen zu berücksichtigen sind. In dieser Arbeit werden Optimierungsalgorithmen und -strategien zur Lösung wissenschaftlicher Fragestellungen für industrielle Anwendungen bei der Konstruktion von entsprechenden Faserkunststoffverbunden entwickelt und bewertet. Um das breite Anwendungsspektrum aufzuzeigen, werden drei unterschiedliche repräsentative Problemstellungen bearbeitet. Dabei wird für Mehrschichtverbunde die Festigkeitsoptimierung hinsichtlich eines bruchtypbezogenen Versagenskriteriums vorgenommen, ein Dämpfungsmodell zur Materialcharakterisierung entworfen sowie eine bivalente Optimierungsstrategie zur Auslegung von gewickelten Hochdruckbehältern erstellt. Die Grundlage der entwickelten Methoden bilden dabei jeweils stochastische naturanaloge Optimierungsheuristiken, da die betrachteten Aufgabenstellungen nicht konvex sind und derartige Verfahren flexibel eingesetzt werden können. / The full utilization of the light weight potential in the dimensioning of multilayer fiber reinforced composites requires suitable optimization tools, since a large number of design variables has to be taken into account. In this work, optimization algorithms and strategies for the solution of scientific questions for industrial applications are developed and evaluated in the design of corresponding fiber-plastic composites. In order to show the wide range of applications, three different representative topics have been chosen. It will carry out a strength optimization for multilayer composites with regard to a type-related failure criterion, devolop a damping model for material characterization and established a bivalent optimization strategy for the design of wound high-pressure vessels. The developed methods are based on stochastic natural-analog optimization heuristics, since the considered tasks are not convex and such methods can be used in a very flexible manner.