In Stetigfördersystemen werden das Fördergut tragende Ketten, Zahnriemen oder Bänder in der Regel auf Gleitschienen aus Kunststoff oder Stahl abgestützt. Die Reibwerte zwischen diesen Zugmitteln und der Abstützung betragen ca. 0,2 bis 0,5. Mit einer rollenden Abstützung, bei der Kunststoffröllchen ähnlich einem Wälzlager um einen flachen Stützkörper geführt werden, kann der Bewegungswiderstand auf ca. 0,02 bis 0,05 reduziert werden. Diese sogenannte Rollende Fördertechnik wurde bereits erfolgreich in Modulbandförderern unter anderem in der Automobilproduktion eingesetzt und ermöglicht zum Beispiel kleinere Antriebe, höhere Transportleistungen oder den Bau sehr langer und kompakter Förderstrecken. Eine neue Entwicklung sieht die Anwendung bei Zahnriemenförderern vor. Hierfür wurde ein spezieller Leistenzahnriemen entwickelt, welcher insbesondere für eine hohe Laufruhe sorgt. Im Beitrag werden dafür Dimensionierungsansätze vorgestellt, welche unter anderem die Temperatur sowie die statische Belastungsdauer der Kontaktpaarung Rolle – Zahnriemen berücksichtigen.

These are the abstracts of the oral and poster presentations of the 4th PhD conference held on 06. June 2019 in Freiberg.

A cross-time study has been made on the erosion behaviour of Gas-Tungsten Arc Welding (GTAW) for pure tungsten electrode. Its behaviour during arcing was analyzed and compared from the points of view of metallurgical changes in electrode due to long-term operation. Metallographic studies of the electrodes indicate that the crack formation and grain growth during periodic temperature variations. These observations are discussed theoretically based on the experimental results and the thermal expansion parameters of Tungsten.

In today’s industry, the sustainable use of raw materials and the development of new green technology in mass production, with the aim of saving resources, energy and production costs, is a significant challenge. Deep drawing as a widely used industrial sheet metal forming process for the production of automotive parts belongs to one of the most energy-efficient production techniques. However, one disadvantage of deep drawing regarding the realisation of green technology is the use of lubricants in this process. Therefore, a novel approach for modifying the conventional deep drawing process to achieve a lubricant-free deep drawing process is introduced within this thesis. In order to decrease the amount of frictional force for a given friction coefficient, the integral of the contact pressure over the contact area has to be reduced. To achieve that, the flange area of the tool is macro-structured, which has only line contacts. To avoid the wrinkling, the geometrical moment of inertia of the sheet should be increased by the alternating bending mechanism of the material in the flange area through immersing the blankholder slightly into the drawing die.

Mit dieser Arbeit wird eine statistische Untersuchung des Prüfverfahrens zur standardisierten Ermittlung von Haftreibwerten der Professur Maschinenelemente und Produktentwicklung thematisiert. Ziel der statistischen Untersuchung war es, eine geeignete Methode zur statistischen Untersuchung der aus dem Prüfverfahren resultierenden Reibwert-Daten zu erarbeiten, auf empirische Stichproben anzuwenden und die Resultate der statistischen Untersuchung auf das zugrundeliegende Prüfverfahren zu beziehen. Dazu wurden zwei Versuchsreihen mit insgesamt 89 Versuchen unter festgesetzten Bedingungen durchgeführt, geeignete Methoden der statistischen Analyse- und Testverfahren recherchiert, ausgewählt und auf die ermittelten Reibwertdaten angewandt. Durch die Datenanalyse konnte die Annahme einer Normalverteilung der aus dem standardisierten Prüfverfahren resultierenden Reibwerte gestützt und eine positive Korrelation zwischen Oberflächenrauheiten und Reibwerten nachgewiesen werden.

Die erfolgreiche Optimierung der Leistung von thermoelektrischen Materialien, die durch zT beschrieben wird, ist entscheidend für ihre Anwendung für das Wärmemanagement und die Kühlung von Leistungselektronik. Im Gegensatz zu Bulk-Proben bleibt die vollständige zT-Charakterisierung von Dünn- und Dickfilmmaterialien eine große Herausforderung. Dies ist insbesondere relevant für Filme, die durch elektrochemische Abscheidung synthetisiert werden, wo das Material auf eine elektrisch leitende Schicht abgeschieden wird. In dieser Dissertation habe ich ein Transport-Device für eine vollständige zTCharakterisierung von elektrochemisch abgeschiedenen Materialien entwickelt, während der Einfluss der elektrisch leitenden Schicht, sowie des Substrats beseitigt wird. Die zT-Charakterisierung erfolgt unter Verwendung eines auf einer freistehenden Membran suspendierten thermoelektrischen Materials innerhalb des entwickelten Transport-Devices, die durch eine Kombination von Fotolithografie und Mikrostrukturierungstechnik zusammen mit Ätzprozessen hergestellt wurde. Für die Messung der Wärmeleitfähigkeit habe ich eine eindimensionale, analytische, stationäre Methode eingesetzt, welche mit Hilfe von dreidimensionalen Finite-Elemente-Simulationen bestätigt wurde. Darüber hinaus habe ich die temperaturabhängigen thermoelektrischen Eigenschaften von zwei Dickschichten mit Hilfe des entwickelten Devices untersucht und mit Bulk-Proben und Dünnfilmen verglichen. Auf diese Weise konnte die Validität des Transport-Devices nachgewiesen werden. Neben der Optimierung von mikro-thermoelektrischen Materialien, die mit dem Transport- Device charakterisiert werden, ist die Leistung von thermoelektrischen Devices von den Faktoren Design, Geometrie und Konstruktion beeinflusst. Daher habe ich den Einfluss der Geometrie auf die Leistung eines elektrochemisch hergestellten mikrothermoelektrischen Generators mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation untersucht.

In recent decades the development of technologies capable to offer highly localized and precise temperature control has received increasing attention due to their relevance and applicability in numerous engineering fields. Multiple scientific papers have been written that focus on the enhancement of the performance of thermoelectric materials and micro-devices. This Ph.D. thesis in the field of Mechanical Engineering pursues three main research goals regarding electrothermal phenomena: (1) To provide an optimization design strategy for micro-thermoelectric coolers by analyzing the interplay between electrical and thermal fluxes during device operation. (2) To analyze the suitability of a device, based on micro-thermoelectric coolers, for controlling the thermal environment in microbiological systems. (3) To develop an experimental technique, based on optical pump-probe thermal imaging, to extract the thermal conductivity anisotropy of thin films. For this purpose, numerical simulations and experiments were carried out. The results show, that the design of micro-thermoelectric devices must take into account the impact of parameters that are typically neglected in the construction of macro scale devices. Poorly designed parameters, such as the metallic contacts, the distance between thermoelectric elements and their interaction with the substrate, carry severe reductions of the performance of micro-thermoelectric devices. It is demonstrated that the optimal performance is achieved when the thermoelectric legs are properly dimensioned, so that a balance of the Fourier and Joule fluxes is reached. Numerical analyses prove that micro-thermoelectric coolers offer a feasible alternative to overcome the current spatial and temperature limitations of conventional technologies and therefore enable to investigate the thermal environment of biological systems at the micro-scale. Guidelines for the implementation of the experimental platform are provided. The evaluation of the numerical and experimental data proves that optical pump-probe thermal imaging is suitable to characterize both the in-plane and the through-plane thermal conductivity of thin films. The experimental conditions to extract the anisotropy of the sample under study are determined. The outcome of this work yields new insights into electrothermal phenomena at the micro-scale and thus creates new routes in the design, fabrication and characterization of micro- thermoelectric materials and devices.:Acknowledgements IV Erklärung der Urheberschaft VI Summary VII Zusammenfassung VIII Table of content IX List of figures XI List of tables XIV Abbreviations and symbols XV 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Outline of the thesis 4 1.2.1 Chapter 2 - Fundamentals 4 1.2.2 Chapter 3 - Design guidelines of micro-thermoelectric coolers 4 1.2.3 Chapter 4 - Development of a platform for biological systems experimentation 4 1.2.4 Chapter 5 - Development of a technique for thermal transport characterization in thin films 5 1.2.5 Chapter 6 - Main conclusion and future research 5 1.3 Main research objectives 5 2 Fundamentals 7 2.1 Thermoelectric phenomena 7 2.2 Performance estimation of micro-thermoelectric coolers 10 2.3 Finite element modelling 12 2.3.1 Introduction to finite element modelling 12 2.3.2 Finite element modelling of thermoelectric phenomena 17 2.4 Thermoreflectance imaging microscopy 19 3 Design guidelines of micro-thermoelectric coolers 26 3.1 Introduction 26 3.2 Micro-thermoelectric coolers: an alternative for thermal management 28 3.3 Analysis approach 29 3.3.1 Input current optimization 31 3.3.2 Metallic contacts 32 3.3.3 Leg pair geometry 35 3.3.4 Fill factor 38 3.3.5 Experimental characterization of µTECs 41 3.4 Summary 44 4 Development of a platform for biological systems experimentation 46 4.1 Introduction 46 4.2 Thermal analysis on biological systems 48 4.3 Platform conceptual proposal 50 4.4 Analysis approach 52 4.4.1 Input current optimization 52 4.4.2 Fill material 54 4.4.3 Thermotaxis 55 4.4.4 Top material 56 4.4.5 Cold spot optimization 58 4.5 Experimental platform construction 59 4.6 Summary 62 5 Development of a technique for thermal transport characterization in thin films 64 5.1 Introduction 64 5.2 Thermal anisotropy characterization in thin films 65 5.3 Experimental apparatus 66 5.4 Experimental measurements 69 5.5 Analysis approach 72 5.5.1 Thermal conductivity anisotropy analysis 76 5.5.2 Effect of the laser power on the temperature distribution 79 5.5.3 Enhancement of the system sensitivity 80 5.6 Summary 83 6 Main conclusion and future research 85 6.1 Main conclusion 85 6.2 Outlook 88 7 References 89 8 Scientific output 97 8.1 Publications in peer review journals 97 8.2 Selected conference abstracts 98 9 Curriculum vitae 99

The International Fluid Power Conference is one of the world's most significant scientific conferences on fluid power control technology and systems. It offers a common platform for the presentation and discussion of trends and innovations to manufacturers, users and scientists.

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Organische Schadstoffe werden in vielen Phasen unseres täglichen Lebens in den Wasserkreislauf eingeleitet. Die herkömmliche Abwasserbehandlung ist nicht zur effektiven Entfernung einiger dieser Stoffe, insbesondere von Arzneimitteln, geeignet. Die Fotokatalyse basierend auf der Suspension von katalytischen Nanopartikeln und ultraviolettem Licht stellt eine effiziente Methode dar, um diese organischen Stoffe im Abwasser zu reduzieren. Während das allgemeine Konzept der fotokatalytischen Wasserreinigung gut etabliert ist, fehlte ein beschreibendes und einfach anwendbares Modell der wesentlichen Abbauprozesse. Ein solches Modell ist entscheidend, um experimentelle Ergebnisse systematisch vergleichen zu können, und stellt eine wertvolle Hilfe bei der Optimierung von Prozessen dar. Diese Arbeit präsentiert einen Modellierungsansatz zur Simulation der kinetischen Prozesse basierend auf dem Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus. Dieses Grundmodell wurde erweitert, um auch die Bildung von organischen Zwischenprodukten zu beschreiben. Diese Erweiterungen basieren entweder auf einem inkrementellen oder einen fragmentierenden Abbaumechanismus, der durch das Einbinden von überschüssigen Bindungen ergänzt werden kann. Die simulierte Konzentrationsentwicklung von Zwischenprodukten sowie die Entwicklung des verbleibenden organischen Kohlenstoffes werden für verschiedene Modellannahmen bezüglich ihrer Desorptionsraten von der Photokatalysatoroberfläche diskutiert. Die Modellparameter wurden aus dem Vergleich mit experimentellen Ergebnissen ermittelt. Grundlegende Experimente wurden unter Verwendung des Antibiotikums Ciprofloxacin und des Farbstoffs Methylenblau als Beispiele für organische Verbindungen und Titandioxid und Zinkoxid als fotokatalytische Materialien durchgeführt. Darüber hinaus wird die Anwendbarkeit des Modells auf komplexere Systeme durch den Vergleich mit dem fotokatalytischen Abbau von 14 Medikamenten im Abfluss von Kläranlagen demonstriert. Nach der Evaluierung des Modells wurde es in ein Open-Source-Softwarepaket implementiert, um eine breitere Anwendung zu ermöglichen und eine solide Grundlage für weitergehende Entwicklungen zu schaffen.:Abstract Kurzfassung Symbols Constants Abbreviations 1. Motivation 2. Introduction 2.1. Modeling and simulation 2.2. Heterogeneous photocatalysis 2.2.1. History 2.2.2. Semiconductor band structure 2.2.3. Interface between a semiconductor and a redox electrolyte 2.3. Photocatalytic material 2.3.1. Overview 2.3.2. Titanium dioxide 2.3.3. Zinc oxide 2.4. Light sources 2.4.1. Solar 2.4.2. Fluorescent tubes and mercury-vapor lamps 2.4.3. Light-emitting diodes 2.4.4. Organic light-emitting diodes 3. Materials and methods 3.1. Analytic methods 3.1.1. Nanoparticle characterization 3.1.2. Ultraviolet-visible absorption spectrometry 3.1.3. SPE-HPLC-MS/MS 3.1.4. Non-purgeable organic carbon 3.2. Experimental investigations 3.2.1. Model substances 3.2.2. Adsorption-desorption 3.2.3. Photocatalytic degradation 3.2.4. Wastewater treatment plant effluent 3.3. Modeling approach 3.3.1. Single organic species model 3.3.2. Multiple organic species model 3.4. Model implementation 3.4.1. Development objectives 3.4.2. Molecule parameters 3.4.3. Solving the differential equation system 3.4.4. Fit to experimental results 3.4.5. Availability 4. Results and discussion 4.1. Nanoparticle properties 4.2. Adsorption-desorption 4.3. Photocatalytic degradation 4.3.1. Single organic species model 4.3.2. Multi organic species model 4.4. Wastewater treatment plant effluent 4.4.1. Influence of effluent 4.4.2. Degradation of pharmaceuticals in the effluent 5. Conclusions Appendix A. Analytical solution B. Effluent pharmaceuticals concentrations C. pdom handbook List of figures List of tables Bibliography / Organic pollutants are discharged into the water cycle at many stages in our daily lives. Conventional wastewater treatments are ineffective in the removal of some of them, especially clearing pharmaceuticals. Photocatalytic degradation utilizing catalytic nanosuspensions under ultraviolet irradiation represents an efficient method to reduce those organic components in the wastewater. While the general concept of photocatalytic water purification is well established, a descriptive and easy to use model of the essential processes was missing. Such a model is critical to ensure the systematic comparability of experimental results and supports process optimization. This work presents a modeling approach to simulate the involved kinetic processes based on the Langmuir–Hinshelwood mechanism. Further, the fundamental model is extended to include the formation of intermediate organic components. This extension uses either an incremental degradation mechanism or a fragmentation based mechanism, that can include excess bonds. The simulated concentration evolution of intermediates, as well as the evolution of the total organic carbon, are discussed for different model assumptions concerning their desorption rates from the photocatalyst surface. The model parameters were estimated from comparison with experimental findings. Basic experiments were performed using the antibiotic ciprofloxacin, and the dye methylene blue as organic compounds and titanium dioxid and zinc oxide as photocatalytic materials. Furthermore, the application of the model to more complex systems is shown by the photocatalytic degradation of 14 pharmaceuticals in wastewater treatment plant effluent. Following successful evaluation of this model, it was implemented in an open-source software package to enable a wider adoption and a sound foundation for further developments.:Abstract Kurzfassung Symbols Constants Abbreviations 1. Motivation 2. Introduction 2.1. Modeling and simulation 2.2. Heterogeneous photocatalysis 2.2.1. History 2.2.2. Semiconductor band structure 2.2.3. Interface between a semiconductor and a redox electrolyte 2.3. Photocatalytic material 2.3.1. Overview 2.3.2. Titanium dioxide 2.3.3. Zinc oxide 2.4. Light sources 2.4.1. Solar 2.4.2. Fluorescent tubes and mercury-vapor lamps 2.4.3. Light-emitting diodes 2.4.4. Organic light-emitting diodes 3. Materials and methods 3.1. Analytic methods 3.1.1. Nanoparticle characterization 3.1.2. Ultraviolet-visible absorption spectrometry 3.1.3. SPE-HPLC-MS/MS 3.1.4. Non-purgeable organic carbon 3.2. Experimental investigations 3.2.1. Model substances 3.2.2. Adsorption-desorption 3.2.3. Photocatalytic degradation 3.2.4. Wastewater treatment plant effluent 3.3. Modeling approach 3.3.1. Single organic species model 3.3.2. Multiple organic species model 3.4. Model implementation 3.4.1. Development objectives 3.4.2. Molecule parameters 3.4.3. Solving the differential equation system 3.4.4. Fit to experimental results 3.4.5. Availability 4. Results and discussion 4.1. Nanoparticle properties 4.2. Adsorption-desorption 4.3. Photocatalytic degradation 4.3.1. Single organic species model 4.3.2. Multi organic species model 4.4. Wastewater treatment plant effluent 4.4.1. Influence of effluent 4.4.2. Degradation of pharmaceuticals in the effluent 5. Conclusions Appendix A. Analytical solution B. Effluent pharmaceuticals concentrations C. pdom handbook List of figures List of tables Bibliography