Verdrängergesteuterte hydrostatische Antriebssysteme mit drehzahlvariablem Pumpenantrieb zeichnen sich durch ihre im Vergleich mit ventilgesteuerten Antrieben gute Energieeffizienz und die Möglichkeit der einfachen Stillsetzung aus, weisen jedoch durch die mangelnde Einspannung des Aktors geringere Eigenfrequenzen auf, was die Einstellung von Standardregelkreisen erschwert und meist eine geringere Dynamik und Positioniergenauigkeit zur Folge hat. Hydraulische Achsantriebe, die ohnehin über zahlreiche dominante Nichtlinearitäten verfügen und schwach gedämpft sind können in der Folge das ihnen innewohnende Potential nicht ausschöpfen. Mit einem Vergleich von Dynamik und Präzision verschiedener Antriebssysteme an Hauptantriebsachsen von Kunststoff-Spritzgießmaschinen mittlerer Baugröße wird zunächst das Leistungspotential analysiert. Auf dieser Basis werden Methoden zur Verbesserung der statischen und dynamischen Eigenschaften drehzahlvariabler verdrängergesteuerter Antriebe in Positions- und Druckregelung entwickelt, welche sich durch eine einfache Parametrierung und hohe Robustheit auszeichnen, da sie ohne einen geschlossenen Regelkreis funktionieren. Die dynamische inversionsbasierte Vorsteuerung ermöglicht dabei ein initial gutes Folgeverhalten, das durch die Anwendung einer iterativ lernenden Regelung in jedem Zyklus weiter verbessert wird. Um die Dynamik von Folgeregelungen mit weiteren Randbedingungen zu maximieren wird eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, eine Bewegungsvorgabe entlang der physikalischen Leistungsgrenzen des Antriebssystems zu berechnen und die wirkenden Begrenzungen aufzuzeigen. Die Erstellung von Bewegungsvorgaben sowie die Einstellung der lernenden Regelung sind dabei jeweils mit einem einzigen Parameter möglich. Die experimentelle Untersuchung und der Funktionsnachweis der entwickelten Methoden am Beispiel der Kunststoff-Spritzgießmaschine zeigt eine deutliche Steigerung der möglichen Dynamik verdrängergesteuerter Antriebssysteme, ein gutes Folgeverhalten sowie eine erhöhte Positioniergenauigkeit bei gleichzeitiger Unabhängigkeit von der Betriebstemperatur.:1. Einleitung und wissenschaftliche Problemstellung 7 2. Zielsetzung der Arbeit 11 3. Stand der Forschung und Technik 13 3.1 Architekturen hydraulischer Linearantriebe 13 3.2 Betriebsverhalten drehzahlvariabler verdrängergesteuerter Antriebe 16 3.3 Regelung hydraulischer Achsantriebe in Verdrängersteuerung 18 3.4 Vorsteuerungen und iterativ lernende Regelungen 21 4. Antriebstechnik in Kunststoff-Spritzgießmaschinen 25 5. Analyse der Leistungsfähigkeit von Antriebssystemen in SGM 27 5.1 Aufbau und Funktionsweise von Spritzgießmaschinen 28 5.2 Auswahl der Antriebssysteme 31 5.3 Analyse der Bewegungsdynamik 34 5.4 Analyse der Positioniergenauigkeit 37 5.5 Analyse der Druckregelung 39 5.6 Identifikation von Potentialen für die Leistungssteigerung 44 6. Trajektoriengenerierung entlang der Systemleistungsgrenzen 47 6.1 Kniehebel-Schließeinheit 48 6.2 Analyse statischer und dynamischer Restriktionen 50 6.3 Trajektorienentwurfsmethodik 59 7. Modellbasierte dynamische Vorsteuerung 67 7.1 Methodik 68 7.2 Mathematisch-physikalische Beschreibung 69 7.3 Inversionsbasiertes Steuergesetz 75 8. Modellbasierte lernende Vorsteuerung 77 8.1 Methodik 78 8.2 Entwurf modellbasierter normoptimaler iterativ lernender Regelungen 79 8.3 Stabilitätsnachweis 84 8.4 Generierung von Lernmodellen 86 9. Anwendung der Verfahren und Diskussion 91 9.1 Positionsregelung im geschlossenen hydrostatischen Kreis 93 9.2 Lastkraftregelung im offenen Kreis 108 9.3 Ablösende Regelung: Geschwindigkeit - Last 123 10. Zusammenfassung 127 11. Literatur 133 12. Anhang 145 / Displacement-controlled hydrostatic drive systems with variable-speed pump are characterized by their good energy efficiency and the possibility of simple shutdown compared with valve-controlled drives, but they have lower natural frequencies, which makes the application of standard closed-loop control more difficult and usually results in lower dynamics and positioning accuracy. As a result hydraulic drives, which already have numerous dominant nonlinearities and are weakly damped, cannot exploit their full potential. The work starts with a comparison and an analysis of the dynamics and precision of different drive systems on main drive axes of medium-size plastic injection molding machines. On this basis, methods are developed for improving the static and dynamic properties of variable-speed displacement-controlled drives in position and pressure control. These methods are characterized by simple parameterization and high robustness without relying on a closed-loop control. In this context, the dynamic inversion-based feedforward control allows for a good tracking performance, which is further improved by applying a cycle-wise iterative learning control. In order to fulfill the dynamics of follow-up control with position boundary conditions, a method is developed which allows for calculating a motion specification along the physical performance limits of the drive system and to show the existing limitations. The creation of motion presets as well as the setting-up of a learning controller may be done with one single parameter. Experimental investigation of the developed methods using the example of the plastic injection molding machine shows a significant increase in dynamics of displacement-controlled drive systems, good follow-up behavior, and increased positioning accuracy while remaining independent of the operating temperature.:1. Einleitung und wissenschaftliche Problemstellung 7 2. Zielsetzung der Arbeit 11 3. Stand der Forschung und Technik 13 3.1 Architekturen hydraulischer Linearantriebe 13 3.2 Betriebsverhalten drehzahlvariabler verdrängergesteuerter Antriebe 16 3.3 Regelung hydraulischer Achsantriebe in Verdrängersteuerung 18 3.4 Vorsteuerungen und iterativ lernende Regelungen 21 4. Antriebstechnik in Kunststoff-Spritzgießmaschinen 25 5. Analyse der Leistungsfähigkeit von Antriebssystemen in SGM 27 5.1 Aufbau und Funktionsweise von Spritzgießmaschinen 28 5.2 Auswahl der Antriebssysteme 31 5.3 Analyse der Bewegungsdynamik 34 5.4 Analyse der Positioniergenauigkeit 37 5.5 Analyse der Druckregelung 39 5.6 Identifikation von Potentialen für die Leistungssteigerung 44 6. Trajektoriengenerierung entlang der Systemleistungsgrenzen 47 6.1 Kniehebel-Schließeinheit 48 6.2 Analyse statischer und dynamischer Restriktionen 50 6.3 Trajektorienentwurfsmethodik 59 7. Modellbasierte dynamische Vorsteuerung 67 7.1 Methodik 68 7.2 Mathematisch-physikalische Beschreibung 69 7.3 Inversionsbasiertes Steuergesetz 75 8. Modellbasierte lernende Vorsteuerung 77 8.1 Methodik 78 8.2 Entwurf modellbasierter normoptimaler iterativ lernender Regelungen 79 8.3 Stabilitätsnachweis 84 8.4 Generierung von Lernmodellen 86 9. Anwendung der Verfahren und Diskussion 91 9.1 Positionsregelung im geschlossenen hydrostatischen Kreis 93 9.2 Lastkraftregelung im offenen Kreis 108 9.3 Ablösende Regelung: Geschwindigkeit - Last 123 10. Zusammenfassung 127 11. Literatur 133 12. Anhang 145

Adaptability and flexibility are some of the most important human characteristics. Learning based on new experiences enables adaptation by changing the structural connectivity of the brain through plasticity mechanisms. But the human brain can also adapt to new tasks and situations in a matter of milliseconds by dynamic coordination of functional activation. To understand how this flexibility can be achieved in the computations performed by neural networks, we have to understand how the relatively fixed structural backbone interacts with the functional dynamics. In this thesis, I will analyze these interactions between the structural network connectivity and functional activations and their dynamic interactions on different levels of abstraction and spatial and temporal scales. One of the big questions in neuroscience is how functional interactions in the brain can adapt instantly to different tasks while the brain structure remains almost static. To improve our knowledge of the neural mechanisms involved, I will first analyze how dynamics in functional brain activations can be simulated based on the structural brain connectivity obtained with diffusion tensor imaging. In particular, I will show that a dynamic model of functional connectivity in the human cortex is more predictive of empirically measured functional connectivity than a stationary model of functional dynamics. More specifically, the simulations of a coupled oscillator model predict 54\% of the variance in the empirically measured EEG functional connectivity. Hypotheses of temporal coding have been proposed for the computational role of these dynamic oscillatory interactions on fast timescales. These oscillatory interactions play a role in the dynamic coordination between brain areas as well as between cortical columns or individual cells. Here I will extend neural network models, which learn unsupervised from statistics of natural stimuli, with phase variables that allow temporal coding in distributed representations. The analysis shows that synchronization of these phase variables provides a useful mechanism for binding of activated neurons, contextual coding, and figure ground segregation. Importantly, these results could also provide new insights for improvements of deep learning methods for machine learning tasks. The dynamic coordination in neural networks has also large influences on behavior and cognition. In a behavioral experiment, we analyzed multisensory integration between a native and an augmented sense. The participants were blindfolded and had to estimate their rotation angle based on their native vestibular input and the augmented information. Our results show that subjects alternate in the use between these modalities, indicating that subjects dynamically coordinate the information transfer of the involved brain regions. Dynamic coordination is also highly relevant for the consolidation and retrieval of associative memories. In this regard, I investigated the beneficial effects of sleep for memory consolidation in an electroencephalography (EEG) study. Importantly, the results demonstrate that sleep leads to reduced event-related theta and gamma power in the cortical EEG during the retrieval of associative memories, which could indicate the consolidation of information from hippocampal to neocortical networks. This highlights that cognitive flexibility comprises both dynamic organization on fast timescales and structural changes on slow timescales. Overall, the computational and empirical experiments demonstrate how the brain evolved to a system that can flexibly adapt to any situation in a matter of milliseconds. This flexibility in information processing is enabled by an effective interplay between the structure of the neural network, the functional activations, and the dynamic interactions on fast time scales.

Systems of interacting colloidal particles are ideal tools for studies of pattern formation and collective non-equilibrium dynamics on the mesoscopic scale. These processes are governed by the interaction between the particles, which can be tuned by sophisticated fabrication. In this thesis, self-assembly of artificially designed magnetic spheres dispersed in water has been studied via video microscopy. The particles are based on silica microspheres with hemispherical ferromagnetic coating of [Co/Pd] multilayers with perpendicular magnetic anisotropy. These particles are exceptional in that they exhibit an off-centered net magnetic moment and yet obey rotational and mirror symmetry. It has been demonstrated how these magnetic properties provide innovative flexibility in pattern formation and collective dynamics based on magnetostatic interactions on the mesoscopic scale. The results are supported by analytical and numerical calculations of interacting spheres with radially shifted point dipoles (sd-particles). In two dimensions, the particles spontaneously self-assemble into branched structures as a result of a bistable assembly behavior where neighboring particles exhibit a non-collinear magnetic orientation. It has been shown that these features, which are atypical for homogeneous systems of magnetic particles, can be reproduced by simulation. It employs a theoretical model of a sphere that contains a distribution of three radially shifted point dipoles in analogy to the magnetization distribution in the coated particles. The stability of the assembly has been examined further by external manipulation using optical tweezers and homogeneous magnetic fields. A rich variety of stable structures with diverse spatial and magnetic ordering has been found. Particularly, the collective alignment of the specially designed particles in external fields opens completely new possibilities for the remote control over reversible pattern formation on the micrometer scale. In time-dependent fields, the collective dynamics of the anisotropic particles has revealed a novel approach for magnetically actuated translation. The variety of stable structures particularly enables control over this motion. / Kolloidale Suspensionen sind geeignete Systeme zur Untersuchung von Strukturbildung und kollektiver Nichtgleichgewichtsdynamik in mesoskopischen Größenskalen. Diese Vorgänge werden durch die Wechselwirkung zwischen den Teilchen bestimmt, welche durch geeignete Partikelherstellung angepasst werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird ein System von künstlich hergestellten magnetischen Partikelsuspensionen mittels Videomikroskopie untersucht. Quarzglas-Mikrokugeln wurden halbseitig mit einer ferromagnetischen Dünnschicht aus [Co/Pd] Multilagen mit senkrechter Anisotropie beschichtet. Solche Partikel sind ausgezeichnet durch ein resultierendes magnetisches Moment mit Rotations- und Spiegelsymmterie, welches zusätzlich vom Mittelpunkt der Kugel verschoben ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Besonderheit zu einer bisher unbekannten Flexibilität bei der mesoskopischen Strukturbildung und der kollektiven Dynamik auf der Basis magnetostatischer Wechselwirkung führt. Die vorgestellten Ergebnisse werden durch analytische und numerische Berechnungen unterstützt, denen ein Modell einer idealen Kugel mit verschobenem Dipol zugrunde liegt. Die zweidimensionale Selbstanordnung der Partikel zeigt experimentell zwei stabile Formen der Verknüpfung, welche zu verzweigten Strukturen mit unterschiedlich magnetischer Ausrichtung benachbarter Partikel führen. Diese für ein homogenenes System magnetischer Partikel außergewöhnlichen Eigenschaften konnten in Simulationen durch ein Modellsystem aus Kugeln mit drei verschobenen Punktdipolen reproduziert werden. Darüber hinaus wurde die spontante Anordnung unter externer Manipulation mittels optischer Pinzette und magnetischen Feldern untersucht. Es konnte eine Vielfalt an stabilen Strukturen mit verschiedenen magnetischen und strukturellen Anordnungen gefunden werden. Insbesondere die kollektive Ausrichtung dieser Partikel in externen Feldern eröffnet neuartige Möglichkeiten, kontrolliert und reversibel Mikrostrukturen zu erzeugen. In zeitabhängigen Feldern zeigen die anisotropen Partikel zusätzlich eine kollektive Dynamik welche eine neue Möglichkeit zum magnetischen Antrieb von Partikelagglomeraten eröffnet. Die Vielfalt der möglichen stabilen Strukturen erlaubt es in besonderer Weise diese Bewegung zu steuern.

Im Projekt wurde das Ermüdungsverhalten eines hochgefüllten, extrudierten Holz- Polymer- Werkstoffes (Wood Polymer-Composite, kurz: WPC) und dessen technisches Halbzeug (WPC-Systemprofil) im Anwendungsfeld der Fördertechnik erforscht. Kernsegment im Projekt ist das hochgefüllte WPC-Extrusionsprofil als Trag- und Gleitelement im Hängefördersystem (HFS). Im ersten Schritt wurde das Kriechverhalten (langzeitstatisch) und Ermüdungsverhalten unter dynamisch-schwingender Belastung (langzeitdynamisch) am produktspezifischen WPC-Material und am WPC-Systembauteil untersucht. Das Prüfregime bezieht sich dabei auf das reale Belastungskollektiv in der Anwendung des Hängefördersystems, welches vorrangig einer Dreipunktbiegebelastung im WPC-Systemprofil und einer Zugbelastung in der Verbindungsstelle entspricht. Aufbauend auf die Material- und Bauteiluntersuchung wurde der Dauerlauftest am Funktionsprototyp (Hängefördersystem) durchgeführt. Dabei wurden die Kriechneigung des WPC-Systemprofils und der Vorspannkraftverlust in der Verbindungsstelle im praxisrelevanten Fall überwacht. / In the research project the fatigue behavior of a high filled extruded Wood Polymer Composite (WPC) and its technical product were investigated in the application of material handling technology. The main focus of the project is the high filled WPC extrusion profile, which is applied as a sliding rail for the use in an overhead material handling system. In the first step the creep behavior (long-term static load) and fatigue behavior under dynamic-oscillating loads were studied on the product-specific WPC material and on the WPC component. The testing procedure refers to the real stress collection in the application of the overhead material handling system, which corresponds to a three-point bending load in the profile and a tensile load in the connection point. Furthermore, an endurance test was carried out under practical conditions on the overhead matrial handling system to oversee the long-term mechanical properties of the WPC sliding rail and the loss of the preloaded force in the connection point.

Der Prozess des orthogonalen Drehfräsens ermöglicht eine hohe Produktivität, eine hohe geometrische Flexibilität hinsichtlich erzeugbarer Mantelflächenformen, einen gesicherten Spanbruch sowie die Herstellung drallfreier Oberflächen. Die derzeit erreichbare Form- und Maßgenauigkeit sowie Oberflächenqualität, die mit diesem Verfahren erzielt werden können, lässt bei Bauteilen mit hohen konstruktiven Anforderungen keine Substitution des etablierten Rundschleifprozesses zu. Das dynamische Verhalten der Prozesskräfte und der differente Schneidkantenverschleiß entlang der im Eingriff befindlichen Schneidkante sind die Haupteinflussgrößen für Geradheitsfehler der Mantellinie und damit verantwortlich für Abweichungen von der gewünschten Bauteilgeometrie. Durch die Lokalisierung des Spanprozesses auf die Stirnschneide können die Eingriffsverhältnisse und die auftretenden Prozesskräfte beim orthogonalen Drehfräsen exakt bestimmt und prozessspezifische Werkzeuggeometrien mithilfe des entwickelten Prozessmodells abgeleitet werden. Das Ziel der Untersuchungen war die Entwicklung einer Prozessstrategie zur Reduktion von Geometrieabweichungen zylindrischer Bauteile durch einen robusten Prozess des exzentrisch-orthogonalen Drehfräsens ohne Axialvorschub. Dadurch lassen sich ökonomische und ökologische Vorteile hinsichtlich einer Substitution der Rundschleifbearbeitung durch die Komplettbearbeitung komplexer Bauteile in Dreh-Fräsbearbeitungszentren erzielen. Aus dem Stand der Forschung und Technik ist bekannt, dass beim orthogonalen Drehfräsen prozessbedingte Gestaltabweichungen erster bis vierter Ordnung an der Werkstückmantelfläche auftreten können. In Abhängigkeit von den konstruktiv geforderten Toleranzen bei Bauteilen mit zylindrischen und konvex gekrümmten Mantelflächen, kann die prozesssichere Anwendung des orthogonalen Drehfräsens derzeit der Schrupp- und Vorschlichtbearbeitung zugeordnet werden. Ergebnisse zur prozesssicheren Substitution der Außenrundschleifbearbeitung durch orthogonales Drehfräsen wurden bislang nicht veröffentlicht. Daraus leitete sich die Forschungsfrage ab, ob eine Fertigbearbeitung von zylindrischen Mantelflächen durch orthogonales Drehfräsen, die bisher toleranzbedingt spanenden Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide vorbehalten blieb, grundsätzlich möglich ist. Desweiteren leiteten sich auch Forschungsfragen zu den genauen Ursachen und der Beeinflussbarkeit dieser prozessbedingten Gestaltabweichungen beim orthogonalen Drehfräsen ab. Ein erstes Ziel dieser Arbeit war die Herleitung und Systematisierung der technologischen Grundlagen des Verfahrens orthogonales Drehfräsen, um den Stirnschneideneingriff, der die finale Mantelfläche erzeugt, mathematisch beschreiben zu können. Abgrenzend zum Stand der Technik wurde ein neuartiges Prozessmodell zur Schlichtbearbeitung zylindrischer Mantelflächen durch orthogonales Drehfräsen ohne Axialvorschub vorgestellt, das eine geometrische Ableitung aller technologischen Parameter auf Basis der Werkstückgeometrie (Mantellinienbreite und Durchmesser) ermöglicht. Das umfasst die Spezifikation der Werkzeuggeometrie und die Bestimmung sämtlicher Einstellgrößen im Prozess. Desweiteren erlaubt dieses Modell eine genaue Bestimmung der Fehlereinflüsse auf die resultierende Zylindrizität der Mantelfläche. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Verifikation des Prozessmodells durch empirische Untersuchungen an Proben mit zylindrischen Mantelflächen mithilfe von Prozesskraftmessungen. Dabei sollte das dynamische Verhalten der Prozesskräfte durch den variierenden Stirnschneideneingriff nachgewiesen werden. Anschließend erfolgte ein empirischer Nachweis zur Verringerung der Prozesskraftdynamik, um steifigkeitsbedingte Fehlereinflüsse durch ungewollte Relativbewegungen zwischen Schneide und Werkstückmantellinie kompensieren zu können. Da sich entlang der Schneidkante beim orthogonalen Drehfräsen differente Verschleißzustände ausbilden, wurde in empirischen Untersuchungen der Schneidkantenverschleiß über den Standweg dokumentiert und ausgewertet. Damit konnten der Verschleißeinfluss des Belastungskollektivs sämtlicher Spanungsparameter in diskreten Abständen entlang der Schneidkante ermittelt und die Ableitung des mechanisch haltbaren Optimums für jeden Schneidenbereich im arbeitsscharfen Zustand ermöglicht werden. Auf Grundlage des entwickelten Prozessmodells zum orthogonalen Drehfräsen wurde auch eine darauf angepasste Prozessstrategie vorgestellt, mit der die Bewegungen für die Zustellung, den Vorschub und den Rückzug des Werkzeuges relativ zur Werkstückmantelfläche definiert wurden. Diese Bewegungen verursachen stets Unstetigkeiten im Prozess, die einen maßgeblichen Einfluss auf den resultierenden Rundheitsfehler an der Werkstückmantelfläche haben. Die Prozessstrategie ermöglichte eine Minimierung steifigkeitsbedingter Fehlereinflüsse auf die Rundheit und damit auf die resultierende Zylindrizität der Werkstückmantelfläche.:1. Einleitung .......................................................................................................... 1 2. Stand der Forschung und Technik .................................................................... 4 2.1. Gestaltabweichungen an zylindrischen Mantelflächen ................................ 8 2.1.1. Rundheit ............................................................................................... 9 2.1.2. Geradheit ............................................................................................ 10 2.1.3. Zylindrizität .......................................................................................... 11 2.2. Technologieentwicklung des orthogonalen Drehfräsens ........................... 12 2.3. Anwendungen............................................................................................ 28 2.4. Stand der Werkzeugentwicklung ............................................................... 36 2.5. Untersuchungen zu Prozesskräften und deren Dynamik ........................... 39 2.6. Untersuchungen zum Einfluss der Exzentrizität auf die Werkstückmantellinie ................................................................................. 44 2.7. Untersuchungen zur Oberflächenstrukturierung ........................................ 47 2.8. Untersuchungen zum Werkzeugverschleiß ............................................... 49 2.9. Schneidkantendefinition und Mikrospanbildung......................................... 52 2.10. Defizite im Stand der Forschung und Technik ........................................... 62 3. Vorgehensweise ............................................................................................. 64 4. Prozessgestaltung .......................................................................................... 69 4.1. Systemgrößen ........................................................................................... 69 4.1.1. Werkstückgeometrie ........................................................................... 69 4.1.2. Geometrisches Prozessmodell ........................................................... 70 4.1.3. Werkzeuggeometrie ............................................................................ 79 4.1.4. Prozesskühlung .................................................................................. 90 4.1.5. Werkzeugmaschine ............................................................................ 91 Inhaltsverzeichnis II 4.2. Einstellgrößen ............................................................................................ 92 4.2.1. Zahnvorschub ..................................................................................... 92 4.2.2. Schnitttiefe .......................................................................................... 94 4.2.3. Exzentrizität ........................................................................................ 95 4.2.4. Schneidenanzahl .............................................................................. 106 4.2.5. Schneidenvorversatz ........................................................................ 109 4.2.6. Werkzeugdrehzahl ............................................................................ 113 4.2.7. Kinematik der Werkzeugzustellbewegung ........................................ 115 4.3. Prozessgrößen ........................................................................................ 123 4.3.1. Spanungsdicke ................................................................................. 124 4.3.2. Spanungsquerschnitt ........................................................................ 128 4.3.3. Prozesskraftverlauf ........................................................................... 129 4.4. Ergebnisgrößen ....................................................................................... 134 4.4.1. Geradheit der Mantellinie .................................................................. 134 4.4.2. Rundheit ........................................................................................... 140 5. Experimentelle Untersuchungen ................................................................... 144 5.1. Festlegung der Systemgrößen ................................................................ 145 5.1.1. Werkzeuggeometrie .......................................................................... 145 5.1.2. Werkstückgeometrie ......................................................................... 148 5.1.3. Werkzeugmaschine und Prozesskühlung ......................................... 149 5.2. Festlegung der Einstellgrößen ................................................................. 151 5.2.1. Zahnvorschub, Schnitttiefe und Exzentrizität .................................... 151 5.2.2. Werkzeugdrehzahl ............................................................................ 152 5.2.3. Werkzeugzustellbewegung ............................................................... 153 5.3. Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen ................................... 155 5.3.1. Analyse des dynamischen Prozesskraftverhaltens ........................... 155 5.3.2. Analyse der Werkstückgeometrieabweichungen .............................. 169 5.3.3. Analyse des Werkzeugverschleißes ................................................. 183 Inhaltsverzeichnis III 6. Fazit .............................................................................................................. 206 7. Zusammenfassung ....................................................................................... 210 8. Ausblick ........................................................................................................ 213 9. Anlagen ......................................................................................................... 9-1 9.1. Ergebnisse der Schneidkantenpräparation ............................................... 9-1 9.2. Ergebnisse zur Prozesskraftdynamik ....................................................... 9-4 9.3. Ergebnisse der Werkstückgeometrieuntersuchungen ............................ 9-24 9.4. Ergebnisse zum Werkzeugverschleißverhalten ...................................... 9-35

This thesis project aims to discuss the conditions and importance of water as a dynamic body in our environment, as water is affecting life on Earth on all levels. By focusing on the Baltic Sea, a sensitive body of water, I am exploring the acoustic characters of the sea dynamics through sound recordings at three bays in the Stockholm Archipelago. How can an acoustic exploration of the Baltic Sea dynamics mediate a sensitive relationship to our marine environments? Sound defines environments and gives indications of their current state. In this project, I intertwine an artistic approach involving our senses with scientific research of measuring to further an understanding of the relationship between humans and nature. The project explores water and sound in two parts, first as a method for listening to the sea, second as a spatial composition created for a sensory experience of the sea’s endless motion. It is my hope that my installation can stir emotions and create an understanding for the environmental challenges facing the Baltic Sea and inspire action towards prosperous natural environments where we live with and not apart from nature.

Due to the increase of rotor size in horizontal axis wind turbine (HAWT) during the past 25 years in order to achieve higher power output, all wind turbine components and blades in particular, have to withstand higher structural loads. This upscalingproblem could be solved by applying technologies capable of reducing aerodynamic loads the rotor has to withstand, either with passive or active control solutions. These control devices and techniques can reduce the fatigue load upon the blades up to 40% and therefore less maintenance is needed, resulting in an important money savings for the wind farm manager. This project consists in a study of load control techniques for offshore wind turbines from an aerodynamic and aeroelastic point ofview, with the aim to assess a cost effective, robust and reliable solution which could operate maintenance free in quite hostile environments. The first part of this study involves 2D and 3D aerodynamic and aeroelastic simulations to validate the computational model with experimental data and to analyze the interaction between the fluid and the structure. The second part of this study is an assessment of the unsteady aerodynamic loads produced by a wind gust over the blades and to verify how a trailing edge flap would influence the aerodynamic control parameters for the selected wind turbine blade. / På grund av ökningen av rotorstorleken hos horisontella vindturbiner (HAWT) under de senaste 25 åren, en design som har uppstod för att uppnå högre effekt, måste alla vindkraftkomponenter och blad stå emot högre strukturella belastningar. Detta uppskalningsproblem kan lösas genom att använda metoder som kan minska aerodynamiska belastningar som rotorn måste tåla, antingen med passiva eller aktiva styrlösningar. Dessa kontrollanordningar och tekniker kan minska utmattningsbelastningen på bladen med upp till 40 % och därför behövs mindre underhåll, vilket resulterar i viktiga besparingar för vindkraftsägaren. Detta projekt består av en studie av lastkontrolltekniker för havsbaserade vindkraftverk ur en aerodynamisk och aeroelastisk synvinkel, i syfte att bedöma en kostnadseffektiv, robust och pålitlig lösning som kan fungera underhållsfri i tuffa miljöer. Den första delen av denna studie involverar 2D- och 3D-aerodynamiska och aeroelastiska simuleringar för att validera beräkningsmodellen med experimentella data och för att analysera interaktionen mellan fluiden och strukturen. Den andra delen av denna studie är en bedömning av de ojämna aerodynamiska belastningarna som produceras av ett vindkast över bladen och för att verifiera hur en bakkantklaff skulle påverka de aerodynamiska styrparametrarna för det valda vindturbinbladet.

Signalverarbeitung im Nervensystem hängt sowohl von der Netzwerkstruktur, als auch den zellulären Eigenschaften der Nervenzellen ab. In dieser Abhandlung werden zwei zelluläre Eigenschaften im Hinblick auf ihre funktionellen Anpassungsmöglichkeiten untersucht: Es wird gezeigt, dass neuronale Morphologie die Signalweiterleitung unter Berücksichtigung energetischer Beschränkungen verstärken kann, und dass selbst kleine Änderungen in biophysikalischen Parametern die Aktivierungsbifurkation in Nervenzellen, und damit deren Informationskodierung, wechseln können. Im ersten Teil dieser Abhandlung wird, unter Verwendung von mathematischen Modellen und Daten, die Hypothese aufgestellt, dass Energie-effiziente Signalweiterleitung als starker Evolutionsdruck für unterschiedliche Zellkörperlagen bei Nervenzellen wirkt. Um Energie zu sparen, kann die Signalweiterleitung vom Dendrit zum Axon verstärkt werden, indem relativ kleine Zellkörper zwischen Dendrit und Axon eingebaut werden, während relativ große Zellkörper besser ausgelagert werden. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass biophysikalische Parameter, wie Temperatur, Membranwiderstand oder Kapazität, den Feuermechanismus des Neurons ändern, und damit gleichfalls Aktionspotential-basierte Informationsverarbeitung. Diese Arbeit identifiziert die sogenannte "saddle-node-loop" (Sattel-Knoten-Schlaufe) Bifurkation als den Übergang, der besonders drastische funktionale Auswirkungen hat. Neben der Änderung neuronaler Filtereigenschaften sowie der Ankopplung an Stimuli, führt die "saddle-node-loop" Bifurkation zu einer Erhöhung der Netzwerk-Synchronisation, was möglicherweise für das Auslösen von Anfällen durch Temperatur, wie bei Fieberkrämpfen, interessant sein könnte. / Signal processing in nervous systems is shaped by the connectome as well as the cellular properties of nerve cells. In this thesis, two cellular properties are investigated with respect to the functional adaptations they provide: It is shown that neuronal morphology can improve signal transmission under energetic constraints, and that even small changes in biophysical parameters can switch spike generation, and thus information encoding. In the first project of the thesis, mathematical modeling and data are deployed to suggest energy-efficient signaling as a major evolutionary pressure behind morphological adaptations of cell body location: In order to save energy, the electrical signal transmission from dendrite to axon can be enhanced if a relatively small cell body is located between dendrite and axon, while a relatively large cell body should be externalized. In the second project, it is shown that biophysical parameters, such as temperature, membrane leak or capacitance, can transform neuronal excitability (i.e., the spike onset bifurcation) and, with that, spike-based information processing. This thesis identifies the so-called saddle-node-loop bifurcation as the transition with particularly drastic functional implications. Besides altering neuronal filters and stimulus locking, the saddle-node-loop bifurcation leads to an increase in network synchronization, which may potentially be relevant for the initiation of seizures in response to increased temperature, such as during fever cramps.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit, wird ein neuartiges Markierungsschema für die Festkörper-NMR-Spektroskopie vorgestellt, das sogenannte Reduced Adjoining Protonation (RAP) Schema, welches die Protonendetektion sämtlicher Aliphaten erlaubt. Hochaufgelöste, 1H-detektierte 1H,13C Korrelationsspektren wurden erhalten. Des Weiteren wurde der Vorteil von hohen MAS-Frequenzen untersucht. 1H- und 13C-detektierte 3D Zuordnungsexperimente wurden implementiert, welche uns die Zuordnung von 90% aller aliphatischen Resonanzen von alpha-Spektrin SH3 erlaubten. Da die chemische Verschiebung abhängt vom Strukturmotiv, kann sie verwendet werden, um Sekundärstruktur-Informationen abzuleiten. Darüber hinaus wurde ein 1H-detektiertes H(H)CH 3D Experiment entwickelt, um weitreichende 1H,1H Kontakte zu ermitteln, welche für die Bestimmung der Tertiärstruktur genutzt werden können. Um artefaktfreie Relaxationsdaten zu erhalten, wurde das RAP-Markierungsschema modifiziert, um 1H- und 13C-verdünnte Proben zu erhalten, in denen Spindiffusion unterdrückt ist. Für die Untersuchung von Sub-Mikrosekunden-Dynamik werden Experimente vorgestellt zur Bestimmung von 13C T1 Relaxationszeiten und 1H,13C dipolaren Kopplungstensoren für Rückgrat- und Seitenketten-Resonanzen. Des weiteren zeigen wir, dass das RAP-Markierungsschema auf nicht-kristalline Systeme, wie Amyloidfibrillen des Abeta1-40 Peptids der Alzheimer-Krankheit, angewendet werden kann. Unter Verwendung von 1H-Detektion, erhielten wir hochaufgelöste 1H,13C Korrelationsspektren. Schließlich wurde der Perdeuterierungsansatz auf den L7Ae-box C/D Protein-RNA Komplex aus P. furiosus angewendet. Wir erhielten hochaufgelöste, 1H-detektierte 1H,15N, sowie 13C,13C Korrelationsspektren des Protein-RNA Komplexes. Weiterhin haben wir eine Methode zur Bestimmung genauer Abstands- und Winkelinformationen für die Protein-RNA Schnittstelle etabliert und schlagen Ansätze vor, für die Zuordnung der chemischen Verschiebungen von RNA-Resonanzen. / In this thesis, a novel labeling scheme for solid-state NMR spectroscopy, the Reduced Adjoining Protonation (RAP) scheme, is introduced, which allows proton detection of all aliphatic sites, as shown for the microcrystalline SH3 domain of alpha-spectrin. These samples yield high-resolution, 1H-detected 1H,13C correlation spectra. In addition, the benefit of high MAS frequencies was investigated. 1H- and 13C-detected 3D assignment experiments are implemented, which allowed us to assign 90% of all aliphatic resonances of alpha-spectrin SH3. As the chemical shift is dependent on the structural motif, it can be employed to derive secondary structure information. Furthermore, a 1H-detected H(H)CH 3D experiment is introduced, to obtain long-range 1H,1H contacts, which can be used for the determination of the tertiary structure. To obtain artifact-free relaxation data, the RAP labeling scheme was modified to obtain sparsely proton labeled, 13C dilute samples, in which spin diffusion is suppressed. To probe sub-microsecond dynamics, we report experiments to determine 13C T1 relaxation times and 1H,13C dipolar coupling tensors for backbone and side chain resonances, respectively. Furthermore, we show, that the RAP labeling scheme can be applied to non-crystalline systems, such as amyloid fibrils of the Alzheimer’s disease peptide Abeta1-40. Using 1H-detection, we obtained high-resolution 1H,13C correlation spectra. Finally, we applied the perdeuteration approach to the L7Ae-box C/D protein-RNA complex from P. furiosus. We obtained high-resolution, 1H-detected 1H,15N, as well as 13C,13C correlation spectra of the protein-RNA complex. In addition, we established a methodology to determine accurate distance and angular restraints for the protein-RNA interface and propose approaches for the chemical shift assignment of RNA resonances.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Aufgabe makroskopische Berechnungsmodelle zur Beschreibung des Drahtsägens zu erarbeiten. Ziel ist es, die wesentlichen Effekte abzubilden und den Einfluss von Prozessparametern auf die Dynamik des Systems zu bestimmen. Ein zentraler Punkt ist die Modellierung des bewegten Sägedrahtes. Durch die dem Kontinuum an den Auflagern aufgeprägte Führungsbewegung sind einerseits die Randbedingungen und andererseits ortsfest auf den Draht wirkende Lasten nichtmateriell. Die korrekte kinematische Beschreibung dieses Sachverhaltes ist essentielle Grundlage für die spätere Anwendung des Prinzips von HAMILTON. Durch die Führungsbewegung, die Formulierung der Kontaktkräfte als Folgelasten und durch explizit zeitabhängige Systemparameter ergibt sich ein kompliziertes Systemverhalten. Die dargestellten Berechnungsergebnisse umfassen Studien zu stationären Lagen, die Berechnung von Eigenfrequenzen, Stabilitätsnachweise des dynamischen Grundzustandes, die Bestimmung von Zeitlösungen und die Simulation des Materialabtrages beim Einschnitt. / The aim of the present thesis is to generate macroscopic models to describe the wire sawing process. The principal purpose is to illustrate basic effects and to investigate the influence of important process parameters relating to the dynamics of the system. A fundamental point is the modeling of the moving wire. Because of the axially movement of the continuum the boundary conditions and spatial acting loads are non-material. The precise kinematical description of this issue is the pre-condition for the correct evaluation of HAMILTON’s principle to characterize the dynamics of the system. The resultant complex system behavior is a consequence of the movement of the wire, of the formulation of the contact forces as follower loads and of explicitly time-dependent model parameters. The results of research contain studies of steady state equilibrium solutions and the proof of their LJAPUNOW stability, the calculation of eigenfrequencies, steady state time solutions under harmonically oscillating contact forces and the simulation of the material removal during the cutting process.