Um Maßnahmen zu Verbesserungen an einem mechatronischen Handhabungssystem für den Transport von Windeln vorzunehmen, wäre eine strukturierte Methode vorteilhaft, da aktuell angewandte Vorgehensweisen durch Intuition geprägt sind. Diese intuitiven Vorgehensweisen bergen Nachteile sowohl in der Objektivität als auch bei der Dokumentation. Aus diesem Grund ist für das beschriebene mechatronische Handhabungssystem eine Methode zur Unterstützung des Entscheidungsprozesses entwickelt worden. Mit Hilfe eines Probandentests erfolgte eine erste Überprüfung. Durch die Methode erhält der Anwender eine Schritt für Schritt Anleitung, welche sich durch ein möglichst rationales Vorgehen auszeichnet und in der Lage ist die Wirkung subjektiver Einflüsse bei notwendigen Entscheidungen zu reduzieren.

Hybride Werkstoffe sind heute allgegenwärtiger Bestandteil der Produkte und Bau-teile, die den Alltag prägen. Sie sind im Automobil zu finden, in Schienenfahrzeugen, in Freizeitgeräten aller Art und nicht zuletzt auch in der Medizintechnik. Ihre große Popularität liegt darin begründet, dass sie viele an diese Produkte gestellte Anforderungen erfüllen können und ihre Nutzbarkeit verbessern. Sie tragen bei zur Schonung von Ressourcen, Senkung von Kosten, Schutz der Umwelt und nicht zuletzt auch zum Komfort der Nutzer. Wie auch die FOREL-Studie zur Elektromobilität [GUD15] eindrucksvoll zeigt, sind dabei die Möglichkeiten jedoch noch bei Weitem nicht ausgereizt; es werden auch weiterhin neue Anwendungsfelder erschlossen und neue Werkstoffe entwickelt. Die Methoden zur Berechnung und Auslegung sowie die Prozesse zur Herstellung hybrider Komponenten müssen daher stetig weiterentwickelt werden. Durch den hier vorgestellten ganzheitlichen Betrachtungsansatz hybrid^n , der sich aus den komplementären Bausteinen „Hybride Werkstoffe“, „Hybride Prozesse“ und „Hybride Methoden“ zusammensetzt, ergeben sich neue Wege, den auftretenden Herausforderungen zu begegnen.

Das Betriebsverhalten von Verarbeitungsanlagen ist geprägt von häufig auftretenden Störungen, die von Bedienern manuell beseitigt werden müssen und deren Arbeitsaufgabe dominieren. Technische Systeme zur Bedienerunterstützung sind für diese Anlagen bisher nicht etabliert. Davon ausgehend wird ein Modell für die kooperative Störungsdiagnose durch Bediener und Assistenzsystem vorgestellt. Durch die Kombination von Bedienerwissen und Prozessdaten wird damit eine gemeinsame Zustandsrepräsentation erstellt, die zu einer zielgenauen Fallerkennung führt und so Bediener bei der Fehlerbeseitigung unterstützt. Als Grundlage für die Entwicklung des Assistenzsystems werden erste Untersuchungen zum Einfluss der Präsentationsform von Lösungsvorschlägen auf die Lösungszeit, die Fehlerraten und die Häufigkeit des Heranziehens von Zusatzinformationen präsentiert.

Das Kondensatorentladungsschweißen (KE-Schweißen) wird seit Beginn der 1960er Jahre industriell genutzt. Durch die Entladung einer Kondensatorbatterie wird ein exponentieller Stoßstrom erzeugt, der auf der Sekundärseite des Impulstransformators Spitzenströme von mehreren 100 kA erzeugt. Die KE-Anlagen sind in der Lage, Energien von 20 kWs (bei kleinen Maschinen) bis hin zu 200 kWs innerhalb von 25 ms in die Schweißstelle einzubringen. Mit der Einführung der KE-Schweißtechnik wurde deren Betriebsverhalten um 1960 auf der Grundlage der Theorie eines Reihenschwingkreises beschrieben. Zu Beginn der 1980er Jahre ergab sich eine wesentliche Änderung des Betriebsverhaltens, weil Thyristoren als Schaltelemente und Leistungsdioden als Freilaufzweige in den Leistungskreisen zur Anwendung kamen. Diese Umstellung wurde aber in keiner Weise analytisch nachvollzogen. Um KE-Maschinen in ihrem elektrischen Verhalten eindeutig darstellen zu können, wird ein umfassendes Gleichungssystem vorgestellt, das den Leistungskreis in seiner gegenwärtigen Ausprägung analytisch beschreibt und auch eine numerische Approximation der Prozesse zulässt. Um die mathematischen Methoden auf reale Maschinen anzuwenden, wird gleichzeitig ein Verfahren entwickelt, um die elektrischen Grundgrößen einer KE-Maschine (Widerstand, Induktivität und Kapazität) messtechnisch zu ermitteln. Im Ergebnis mündet die Systematisierung in einer Typisierung der KE-Maschinen und Stromverläufe, aus der Rückschlüsse zum schweißtechnischen Verhalten gezogen werden können. Die Analyse des Betriebsverhaltens beschränkt sich nicht nur auf konventionelle Ein-Kondensator-Systeme; einbezogen werden auch Mehr-Kondensator-Maschinen und die unmittelbar vor der Markteinführung stehende Technologie der getakteten Kondensatorentladung.:Kurzreferat III Abstract IV Inhaltsverzeichnis 1 Verzeichnis der Bilder 3 Verzeichnis der Tabellen 6 Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Symbole 7 Glossar 22 Nummerierung von Gleichungen 24 Simulation 24 1 Eine Einführung 25 1.1 Vorwort 25 1.2 Zurück zu den Grundlagen – eine Motivation 25 1.3 Das KE-Schweißen im Brennpunkt neuer Anforderungen 26 2 Das Verfahren des KE-Schweißens 29 2.1 Der Schweißprozess und seine Parameter 29 2.2 Aufbau einer KE-Maschine 31 2.3 Energiesystem und Schaltung 32 2.4 Die KE-Maschine als Reihenschwingkreis 34 2.5 Mehr-Kondensator-Technik 39 2.6 Getaktete Kondensatorentladung 42 3 Stand von Wissenschaft und Technik 45 3.1 Veröffentlichungen zum „Kondensatorentladungsschweißen“ 45 3.2 Versuchsbericht des EWI/Columbus, Ohio 46 3.3 Wissenschaftliche Arbeiten 47 4 Vereinfachte Ersatzschaltung und Prozessphasen 52 4.1 Entwicklung eines vereinfachten Ersatzschaltbildes 52 4.2 Übersetzungsverhältnis der Spitzenströme 53 4.3 Grad der Beeinflussung 57 4.4 Phasen einer Ein-Kondensator-Schweißung 58 4.5 Phasen einer Mehr-Kondensator-Schweißung 59 5 Beschreibung des elektrischen Betriebsverhaltens 61 5.1 Hauptphase 61 5.1.1 Zeitliche Verläufe von Strom und Kondensatorspannung 61 5.1.2 Schlüsselparameter 63 5.1.3 Das Gleichungssystem 66 5.1.4 Die Variabilität des Betriebsfalls der Gedämpften Schwingung 66 5.2 Kommutierung des Stroms auf die Freilaufdiode 68 5.3 Stromnachlauf und Gesamtschweißablauf 70 5.3.1 Stromnachlauf 70 5.3.2 Kennwerte des Gesamtschweißablaufs 74 5.4 Das Betriebsverhalten eines Mehr-Kondensator-Systems 75 5.5 Numerische Beschreibung des Betriebsverhaltens 76 5.5.1 Analytische und numerische Lösung 76 5.5.2 Das Euler-Verfahren 77 5.5.3 Zustandsgrößen und Entwicklungsgesetz für die Hauptphase 77 5.5.4 Entwicklungsgesetze für Kommutierung und Stromnachlauf 81 5.6 Analogien zum mechanischen System 83 6 Bestimmen der elektrischen Grundgrößen von KE-Maschinen 85 6.1 Das Rechenverfahren 85 6.1.1 Berechnen der Dämpfungskennwerte 86 6.1.2 Bestimmen des Übersetzungsverhältnisses der Spitzenströme 88 6.1.3 Berechnen über die Ergebnisse von Kurzschluss- und Lastmessungen 88 6.1.4 Berechnen über die Strom-Zeit-Integrale 90 6.1.5 Verifizieren und Festlegen der Maschinen-Grundgrößen 92 6.1.6 Differenzieren der Grundgrößen und Grad der Beeinflussung 93 6.2 Praktische Vermessung der Maschine 94 6.2.1 Bedingungen der Versuchsmaschinen und Elektroden 94 6.2.2 Ausgeführtes Rechenverfahren 96 6.2.3 Messtechnik und zu messende Größen 97 6.2.4 Berechnen Dämpfungskennwerte für Maschine 1 bei ü = 20 98 6.2.5 Bestimmen des Übersetzungsverhältnisses der Spitzenströme 100 6.2.6 Berechnen der Grundgrößen über Kurzschluss/Lastfälle für Maschine 1 102 6.2.7 Berechnen der Grundgrößen über Strom-Zeit-Integrale für Maschine 1 104 6.2.8 Verifizieren und Festlegen der Grundgrößen 108 6.2.9 Differenzieren der Grundgrößen und Grad der Beeinflussung 112 6.3 Vereinfachter Rechenweg 113 6.4 Berechnete Maschinenkonstellationen 116 7 Typisierung von KE-Maschinen 118 7.1 Das Verfahren des Typisierens 118 7.2 Typisierung – Arbeitsbereiche und Anpassung 120 7.3 Typisierung und die neuen KE-Technologien 122 8 Zusammenfassung 127 Literaturverzeichnis 129 Anlagenverzeichnis 136 / Capacitor discharge (CD) welding has been used industrially since the beginning of the 1960s. Through the discharging of a capacitor battery, an exponential surge current is generated. This generates peak currents of several 100kAs on the secondary side of the pulse transformer. The CD systems are capable of transferring energies between 20 kWs (in the case of small machines) and 200kWs within 25ms into the joining zone. When CD welding technology was introduced in around 1960, its operating behaviour was described on the basis of the theory of a series oscillation circuit. When the thyristor, as a switching element, and the power diode, as a free-wheeling circuit, were introduced into the power circuit in the early 1980s, the result was a substantial change in the operating behav-iour. However, there was no analytical understanding of the concept. A comprehensive system of equations is required, in order to clearly portray the electrical behaviour of a CD machine. This describes the power circuit analytically in its current form, and also enables a numerical approximation of the processes. In order to apply these math-ematical methods to real machines, a method is being developed simultaneously, for the measurement of the basic electrical variables of a CD machine (resistance, inductance and capacitance). As a result, the systematisation results in a typification of the CD machines and the current courses, which enables us to draw conclusions with regard to the welding behav-iour. The analysis of the operational behaviour is not limited to conventional single-capacitor sys-tems alone; multi-capacitor machines and clocked capacitor discharge technology, which is due to be launched on the market soon, are also included.:Kurzreferat III Abstract IV Inhaltsverzeichnis 1 Verzeichnis der Bilder 3 Verzeichnis der Tabellen 6 Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Symbole 7 Glossar 22 Nummerierung von Gleichungen 24 Simulation 24 1 Eine Einführung 25 1.1 Vorwort 25 1.2 Zurück zu den Grundlagen – eine Motivation 25 1.3 Das KE-Schweißen im Brennpunkt neuer Anforderungen 26 2 Das Verfahren des KE-Schweißens 29 2.1 Der Schweißprozess und seine Parameter 29 2.2 Aufbau einer KE-Maschine 31 2.3 Energiesystem und Schaltung 32 2.4 Die KE-Maschine als Reihenschwingkreis 34 2.5 Mehr-Kondensator-Technik 39 2.6 Getaktete Kondensatorentladung 42 3 Stand von Wissenschaft und Technik 45 3.1 Veröffentlichungen zum „Kondensatorentladungsschweißen“ 45 3.2 Versuchsbericht des EWI/Columbus, Ohio 46 3.3 Wissenschaftliche Arbeiten 47 4 Vereinfachte Ersatzschaltung und Prozessphasen 52 4.1 Entwicklung eines vereinfachten Ersatzschaltbildes 52 4.2 Übersetzungsverhältnis der Spitzenströme 53 4.3 Grad der Beeinflussung 57 4.4 Phasen einer Ein-Kondensator-Schweißung 58 4.5 Phasen einer Mehr-Kondensator-Schweißung 59 5 Beschreibung des elektrischen Betriebsverhaltens 61 5.1 Hauptphase 61 5.1.1 Zeitliche Verläufe von Strom und Kondensatorspannung 61 5.1.2 Schlüsselparameter 63 5.1.3 Das Gleichungssystem 66 5.1.4 Die Variabilität des Betriebsfalls der Gedämpften Schwingung 66 5.2 Kommutierung des Stroms auf die Freilaufdiode 68 5.3 Stromnachlauf und Gesamtschweißablauf 70 5.3.1 Stromnachlauf 70 5.3.2 Kennwerte des Gesamtschweißablaufs 74 5.4 Das Betriebsverhalten eines Mehr-Kondensator-Systems 75 5.5 Numerische Beschreibung des Betriebsverhaltens 76 5.5.1 Analytische und numerische Lösung 76 5.5.2 Das Euler-Verfahren 77 5.5.3 Zustandsgrößen und Entwicklungsgesetz für die Hauptphase 77 5.5.4 Entwicklungsgesetze für Kommutierung und Stromnachlauf 81 5.6 Analogien zum mechanischen System 83 6 Bestimmen der elektrischen Grundgrößen von KE-Maschinen 85 6.1 Das Rechenverfahren 85 6.1.1 Berechnen der Dämpfungskennwerte 86 6.1.2 Bestimmen des Übersetzungsverhältnisses der Spitzenströme 88 6.1.3 Berechnen über die Ergebnisse von Kurzschluss- und Lastmessungen 88 6.1.4 Berechnen über die Strom-Zeit-Integrale 90 6.1.5 Verifizieren und Festlegen der Maschinen-Grundgrößen 92 6.1.6 Differenzieren der Grundgrößen und Grad der Beeinflussung 93 6.2 Praktische Vermessung der Maschine 94 6.2.1 Bedingungen der Versuchsmaschinen und Elektroden 94 6.2.2 Ausgeführtes Rechenverfahren 96 6.2.3 Messtechnik und zu messende Größen 97 6.2.4 Berechnen Dämpfungskennwerte für Maschine 1 bei ü = 20 98 6.2.5 Bestimmen des Übersetzungsverhältnisses der Spitzenströme 100 6.2.6 Berechnen der Grundgrößen über Kurzschluss/Lastfälle für Maschine 1 102 6.2.7 Berechnen der Grundgrößen über Strom-Zeit-Integrale für Maschine 1 104 6.2.8 Verifizieren und Festlegen der Grundgrößen 108 6.2.9 Differenzieren der Grundgrößen und Grad der Beeinflussung 112 6.3 Vereinfachter Rechenweg 113 6.4 Berechnete Maschinenkonstellationen 116 7 Typisierung von KE-Maschinen 118 7.1 Das Verfahren des Typisierens 118 7.2 Typisierung – Arbeitsbereiche und Anpassung 120 7.3 Typisierung und die neuen KE-Technologien 122 8 Zusammenfassung 127 Literaturverzeichnis 129 Anlagenverzeichnis 136

Over the past two decades, controlling thermal transport properties at the nanoscale has become more and more relevant. This is mostly motivated by the need of developing novel energy-harvesting techniques based on thermoelectricity and the necessity to control the heat dissipation in semiconductor devices. In this field, two major research lines can be identified: On one side 'phononics', which aims at developing devices such as thermal diodes, thermal transistors, and thermal logic gates, among others, and on the other side, phonon engineering aiming at controlling heat transport by producing or structurally modifying heterostructures made of novel nanomaterials (e.g., two-dimensional (2D) materials, nanotubes, organic systems). In order to gain insight into the factors controlling nanoscale heat flow and to be able to design highly-efficient thermal devices, the development of new computational approaches is crucial. The primary goal of the present thesis is the implementation of new methodologies addressing classical and quantum thermal transport at the nanoscale. We will focus on three major issues: (i) We will study thermal rectification effect in nanodevices made of novel 2D materials by means of nonequilibrium molecular dynamics simulations. The influence of structural asymmetry and substrate deposition on the thermal rectification will be investigated. (ii) To address quantum ballistic thermal transport in nanoscale systems, we will implement a nonequilibrium Green's functions (NEGF) treatment of transport combined with a density-functional based approach. Here, we will explore the dependence of the thermal transport properties of 2D materials and nanotubes on different intrinsic (structural anisotropy and grain boundaries) and external (molecular functionalization, strain engineering, and doping) factors. Finally, (iii) a time-dependent NEGF formalism will be developed and implemented to probe the transient and steady thermal transport in molecular junctions. In short, our results show that the mechanisms governing the thermal rectification effect in the 2D thermal rectifiers proposed in this work are shape asymmetries, interface material (planar stacking order), and changes in the degree of spatial localization of high-frequency modes (under nonequilibrium heat transport conditions). The rectification effect can be also controlled by substrate engineering. Moreover, we found that quantum ballistic thermal transport in 2D puckered materials displays an anisotropic behavior. The presence of structural disorder in the form of grain boundaries in graphene reduces overall its thermal transport efficiency. Dynamical disorder induced by coupling to a thermostat has however a weaker effect, suggesting that structural defects are playing a major role. External factors have a noticeable influence on the heat transport in new 2D materials and BNC heteronanotubes. On the other hand, we have also been able to characterize, from a quantum point of view, the phonon dynamics in carbon-based molecular junctions. We expect that the results obtained within this thesis will yield new insights into the thermal management of low-dimensional materials, and thus open new routes to the design of thermoelectric and phononic devices. / In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Kontrolle der thermischen Transporteigenschaften im Nanobereich immer mehr an Bedeutung gewonnen. Dies ist vor allem auf die Notwendigkeit zurückzuführen, neue Energiegewinnungstechniken zu entwickeln, die auf Thermoelektrizität basieren, sowie auf die Problematik, die Wärmeabfuhr in Halbleiterbauelementen kontrollieren zu müssen. In diesem Bereich lassen sich zwei große Forschungslinien identifizieren: Auf der einen Seite 'Phononik', die unter anderem auf die Entwicklung von Bauelementen wie thermischen Dioden, Transistoren und Logikgattern abzielt, und auf der anderen Seite die Phononentechnik, die den Wärmetransport durch Herstellung oder strukturelle Modifikation von Heterostrukturen aus neuartigen Nanomaterialien (z.B. zweidimensionalen (2D) Materialien, Nanoröhren, organischen Systemen) steuert. Um einen Einblick in die Faktoren zu erhalten, die den Wärmefluss im Nanobereich steuern, und um hocheffiziente thermische Bauteile entwickeln zu können, ist die Entwicklung neuer Berechnungsansätze entscheidend. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist die Implementierung neuer Methoden, die sich mit dem klassischen und dem quantenthermischen Transport auf der Nanoskala befassen. Wir werden uns auf drei Hauptthemen konzentrieren: (i) Wir werden den thermischen Rektifikationseffekt in Nanobauteilen aus neuartigen 2D-Materialien mit Hilfe von Nichtgleichgewichts-Molekulardynamiksimulationen studieren. Der Einfluss von Strukturasymmetrie und Substratablagerung auf die thermische Rektifikation wird untersucht. (ii) Um den quantenballistischen Wärmetransport in nanoskaligen Systemen anzugehen, werden wir eine NEGF-Behandlung (Nichtgleichgewichts-Greensche Funktionen) des Transports in Kombination mit einem dichtefunktionalen Ansatz implementieren. Hier wird die Abhängigkeit der thermischen Transporteigenschaften von 2D-Materialien und Nanoröhrchen von verschiedenen intrinsischen (strukturelle Anisotropie und Korngrenzen) und externen (molekulare Funktionalisierung, Stammtechnik und Dotierung) Faktoren untersucht. Schließlich wird (iii) ein zeitabhängiger NEGF-Formalismus entwickelt und implementiert, um den transienten und stetigen Wärmetransport in molekularen Verbindungen zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die wesentlichen Mechanismen für die thermische Gleichrichtung in 2D thermischen Gleichrichtern durch Asymmetrien der Bauteilform, das Interface-Material (planare Stapelung Reihenfolge), und änderungen im Grad der räumlichen Lokalisierung von Hochfrequenz-Modi (unter Nicht-Gleichgewicht Wärmetransport-Bedingungen) gegeben sind. Der Gleichrichteffekt kann auch durch die Wahl des Substrats gesteuert werden. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass der quantenballistische Wärmetransport in 2D-Puckered-Materialien ein anisotropes Verhalten zeigt. Das Vorhandensein von strukturellen Störungen in Form von Korngrenzen in Graphen reduziert insgesamt die Effizienz des Wärmetransports. Dynamische Störungen, die durch die Ankopplung an einen Thermostaten hervorgerufen werden, haben jedoch eine schwächere Wirkung, was darauf hindeutet, dass strukturelle Defekte eine große Rolle spielen. Externe Faktoren haben einen nachweislichen Einfluss auf den Wärmetransport in neuen 2D-Materialien und BNC-Heteronanotubes. Weiterhin konnten wir auch die Phononendynamik in kohlenstoffbasierten molekularen Verbindungen quantitativ charakterisieren. Wir erwarten, dass die Ergebnisse dieser Arbeit neue Erkenntnisse über das Wärmemanagement von niedrigdimensionalen Materialien liefern und damit neue Wege für das Design von thermoelektrischen und phononischen Bauelementen eröffnen.

Lignite is still one of the most important energy sources in Germany. In 2017, \SI{24.4}{\percent} of the net electricity production was generated by lignite-fired power plants. The operation of lignite-fired boilers faces challenges such as emission control and slagging and fouling issues. Slagging and fouling issues are caused by inorganic constituents in the coal, also referred to as mineral matter. Mineral matter can be associated with the coal in three different ways: A mineral grain within the coal matrix is referred to as included. A mineral grain that is not asscociated with the organic material is referred to as excluded. In addition, there are inorganic elements that are organically associated with the coal matrix. Due to the reaction front in a burning char particle included particles experience temperatures that can be much higher than what excluded particles experience. Included mineral matter particles also have the potential to coalesce or to react with organically bound elements to form new mineral species Two methods were identified to determine the included and excluded mineral matter in a given coal sample: Float-and-sink analysis and computer controlled scanning electron microscopy (CCSEM). The float-and-sink analysis uses the differences in density between minerals and coal to separate excluded mineral particles from coal particles. CCSEM is an automated SEM-EDS process that allows to analyze a large number of coal particles in a given sample. The SEM uses image analysis to identify coal and mineral particles and to determine the mineral association. Both methods are applied to seven coal samples from three major lignite mining areas in Germany. The results show that in the investgated coals the excluded mineral matter fraction consists mainly of quartz, pyrite/marcasite, clay and gypsum, whereas the included mineral matter fraction is dominated by Ca-S rich minerals. The tendency of slagging and fouling is predicted for all coals on the basis of included and excluded mineral matter. Conventional slagging and fouling indices are applied to the bulk ash composition of the included and excluded fraction determined by float-and-sink analysis. In addition, the composition of individual mineral grains determined by CCSEM-analysis is considered. The slagging indices show significant differences between the included and excluded mineral matter, whereas the fouling indices are in the same range for both fractions. The liquid-to-ash ratio is determined for all coal samples with thermochemical equilibrium calculations. The different temperatures for included and excluded mineral matter are taken into account. All investigated coals show significant liquid-to-ash ratios in both included and excluded fractions. Combustion experiments were conducted with all seven coals at a laboratory-scale test rig for pulverized fuels at TU Dresden and/or at large-scale utility boilers. Ash particle samples collected with the particle-wire-mesh method show particles with mixed-phase composition. These particles are the result of coalescence of included mineral particles or the result of reactions between included mineral grains and organically associated elements. / Mineralische Bestandteile im Brennstoff sind mitverantwortlich für Verschmutzung- und Ver\-schlack\-ungsvorgänge in mit Braunkohle gefeuerten Kraftwerken. Sie werden durch den Verbrennungsprozess freigesetzt und können sich je nach Eigenschaft der Mineralien an verschiedenen Stellen eines Feuerungsprozesses ablagern. Es wird zwischen mit dem Kohlekorn verwachsenen (internen) mineralischen Partikeln und als eigenständige Partikel vorliegenden (externen) mineralischen Partikeln unterschieden. Weiterhin können anorganische Elemente organisch an die Kohlematrix gebunden sein. Mit der Kohlestruktur verwachsene, interne Partikel sind der Reaktionsfront des brennenden Kohlepartikels direkt ausgesetzt. Sie erfahren höhere Temperaturen als externe Partikel. Höhere Temperaturen fördern das Aufschmelzen der Partikel und beeinflussen so das Ablagerungspotential. Mehrere im Kohlekorn vorliegende mineralische Partikel können beim Abbrennen des Restkokses zu einem Partikel mit neuer chemischer Zusammensetzung verschmelzen. Auch Reaktionen mit den organisch gebundenen mineralischen Elementen sind möglich. Es gibt verschiedene Methoden zur Bestimmung der Bindungsart der Mineralien in der Kohle. Die Schwimm- und Sinkanalyse nutzt die unterschiedlich großen Dichten von externen mineralischen Partikeln, Kohlekörnern mit mineralischen Einschlüssen und reinen Kohlekörnern zur Trennung in einzelne Fraktionen. Eine weitere Methode ist die computergesteuerte Rasterelektronenmikroskopie (CCSEM), mit der die Verteilung mineralischer Partikel im Kohlekorn sowie deren Zusammensetzung bestimmt werden kann. Im Rahmen dieser Dissertation werden beide Methoden auf sieben Kohleproben aus den drei größten deutschen Braunkohleabbaugebieten angewendet. Die Anwendung der Schwimm- und Sinkanalyse und von CCSEM auf die ausgewählten Kohleproben zeigen, dass die externen mineralischen Partikel in den untersuchten deutschen Braunkohlen von Quarz dominiert werden. Weitere signifikante Bestandteile sind Pyrit/Markasit, Tone und Gips. Die internen Minerale werden von Ca-S-haltigen Mineralien dominiert. Das Verschmutzungs- und Verschlackungspotential der untersuchten Kohlen wird u.a. mit Hilfe von Kennzahlen bewertet. Die Kennzahlen zur Bewertung des Verschlackungspotentials zeigten deutliche Unterschiede zwischen der internen und externen mineralischen Fraktion. Die Verschmutzungskennzahlen liegen in ähnlichen Größenordnungen für beide Fraktionen. Ein weiteres Bewertungskriterium ist der Flüssigphasenanteil bei der maximalen Partikeltemperatur. Dieser wird auf der Basis des thermochemischen Gleichgewichts berechnet. Dabei wird berücksichtigt, dass interne und externe mineralische Partikel unterschiedliche maximale Temperaturen erfahren. Sowohl der interne mineralische Anteil, als auch der externen Anteil aller untersuchten Kohlen zeigt signifikante Flüssigphasenanteile. Mit allen in der Arbeit untersuchten Kohlen wurden Verbrennungsexperimente in einer Technikumsanlage zur Verbrennung staubförmiger Brennstoffe sowie in Großkraftwerken durchgeführt. Mit der Methode der Partikelgitternetzsonde gesammelte Aschepartikelproben zeigen, dass beim Verbrennungsvorgang Partikel mit einer Mischphasenzusammensetzung entstehen. Diese Partikel sind durch das Verschmelzen verschiedener interner Mineralien bzw. aufgrund von Reaktionen von internen Mineralien mit organisch gebundenen anorganischen Elementen entstanden.

Hartstoffschichten ermöglichen die Verbesserung bewährter und die Entwicklung neuartiger Produkte. Bei geringstem Materialaufwand lassen sich mit solchen Schichten Wirkungen erzielen, die auf eine andere Weise nicht erreichbar wären. Dünne Hartstoffschichten bis 10 µm werden seit Jahrzehnten zum Verschleißschutz von Werkzeugen und Bauteilen eingesetzt. Der zu den PVD-Verfahren zählende Vakuumbogenprozess (Arc-PVD) wird in der Industrie in großem Umfang zur Abscheidung nitridischer Hartstoffschichten eingesetzt. Als besonders vorteilhaft sind dabei die hohe Ionenenergie im fast vollständig ionisierten Plasma, die damit verbundenen hervorragenden Schichteigenschaften (Mikrohärte, Haftung, Struktur) und die relativ unkomplizierte, robuste und flexible Anlagentechnik anzusehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein nanostrukturierte AlCr(Si)N/TiN Hartstoffsystem entwickelt, welches sich mit dem Arc-PVD-Prozess homogen in Schichtdicken größer 50 µm aufbringen lässt und damit neue Einsatzbereiche für die Hartstoffbeschichtung eröffnet. Durch das definierte Schichtdesign im Nanometermaßstab kann einerseits das Eigenspannungsniveau stark abgesenkt werden und zusätzlich wird das Wachstum von Defektstrukturen unterdrückt. Die gewonnen Erkenntnisse bei der Herstellung dicker Schichten ermöglichen auch Verbesserungen der Eigenschaften dünner Schichten bis 10 µm.

In vielen Anwendungen sind Papier und Karton wegen der hohen Verfügbarkeit, überlegenen Umformbarkeit und der hervorragenden Barriereeigenschaften von Kunststoffen verdrängt worden. Die Akzeptanz von Verpackungen aus erdölbasierten Kunststoffen nimmt jedoch auf Grund der Probleme hinsichtlich Recyclings, Anreicherung von Mikroplastik in den Meeren und Deponierung ab. Folglich steigt der Druck auf Industrie und Wissenschaft, nachhaltige Verpackungslösungen mit Packstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln und einzusetzen. Auf Grund dieser Entwicklungen müssen die Grenzen für die Einsetzbarkeit von Papier und Karton in anspruchsvollen Verpackungslösungen neu betrachtet werden. Mit dem Umformprozess 'Ziehen von Karton' können komplexe dreidimensionale Verpackungskomponenten hergestellt werden. Allerdings wird der Prozess von diversen Material- und Prozessparametern, sowie Umweltbedingungen beeinflusst und erfordert daher systematisches Vorgehen bei Prozessanalyse und Optimierung. Ziel dieser Arbeit war die Analyse von Einflussparametern des Ziehprozesses mit experimentellen und simulativen Methoden. Dazu ist die Entwicklung von objektiven und automatisierten Messmethoden zur Erfassung von Qualitätskriterien der Ziehteile notwendig. Unter Anwendung der entwickelten Messmethoden wurden die Einflüsse von Prozessparametern auf die Umformung untersucht. Es wurden Messmethoden zur Bestimmung von Lage und Anzahl der für den Ziehprozess charakteristischen Falten und für die Messung der Formabweichung entwickelt. Darüber hinaus wurde eine statistische Analyse zum Auftreten von Materialversagen während der Umformung durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen zeigten, dass sowohl das Auftreten von Rissen, als auch die Faltenbildung vornehmlich durch die Faltenhalterkraft beeinflusst werden. Jedoch können Faltenbildung und Formabweichung durch Erhöhung der eingebrachten thermischen Energie über Beheizung der Werkzeuge verbessert werden. Der Energieeintrag konnte durch Erhöhung von Werkzeugtemperaturen und durch Reduktion der Stempelgeschwindigkeit erfolgen. Im simulativen Teil der Arbeit wurde die Anwendbarkeit der Finite Elemente Methode (FEM) auf die Simulation des Ziehprozesses untersucht. Simulationen des Einlaufvorgang des Materials in die Ziehbüchse mit einem für die Abbildung von Karton entwickelten Materialmodell, welches Orthotropie, elastisch-plastisches Verhalten und die Wirkung von Temperatur auf die mechanischen und tribologischen Eigenschaften enthielt, ergaben, dass die Stempelkraftkurve in diesem Prozessabschnitt gut abgebildet werden konnte. Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit von FEM-Modellen zur Simulation der Faltenbildung untersucht. Untersuchungen des Einflusses von Werkzeugtemperaturen auf die mechanischen Eigenschaften und Reibeigenschaften ergaben, dass sich Variationen in der Kraftkurve nur durch die Reduktion des Reibkoeffizienten bei erhöhter Werkzeugtemperatur ergaben. Die Erweichung des Materials durch Erhöhung der Temperatur führte dagegen nicht zu Variationen der Kraftkurve im Einlaufvorgang.:DANKSAGUNG III KURZFASSUNG IV TABLE OF CONTENTS VI LIST OF ABBREVIATIONS IX LIST OF SYMBOLS X LIST OF FIGURES XII LIST OF TABLES XV 1 INTRODUCTION 1 1.1 Background 1 1.2 Research problem 2 1.3 Objectives and outline of the thesis 3 2 LITERATURE REVIEW 4 2.1 Forming of paperboard 4 2.1.1 Categorization of forming processes 4 2.1.2 Hydroforming 6 2.1.3 Pressforming 7 2.1.4 Deep drawing of paperboard 7 2.1.4.1 Deep drawing process 7 2.1.4.2 Quality criteria and measurement 10 2.1.4.3 Scientific advances in deep drawing 11 2.2 Mechanical properties of paper and paperboard 14 2.2.1 Microstructure of paper and paperboard 14 2.2.2 Tensile behavior 16 2.2.3 In-plane compression 17 2.2.4 Yield stress and plastic deformation 18 2.2.5 Mechanical behavior in ZD 19 2.2.6 Rupture of paperboard 20 2.2.7 Friction 21 2.2.8 Inhomogeneity 22 2.2.9 Influence of environmental conditions on paperboard properties 24 2.2.9.1 Influence of moisture content 24 2.2.9.2 Influence of temperature 25 2.2.9.3 Effects of environmental conditions on mechanical properties 26 2.3 Modeling of paperboard 28 2.3.1 Fundamentals of modeling 28 2.3.1.1 Classification of models 28 2.3.1.2 Elastic modeling 29 2.3.1.3 Elastic-plastic modeling 31 2.3.1.4 Out-of-plane modeling 33 2.3.2 FEM Material models 34 2.3.3 Modeling of moisture and temperature 36 2.3.4 Modeling of fracture 39 2.3.5 Modeling of friction 41 2.4 Applications of models for paper and paperboard 42 2.4.1 Simulations of packaging components and processing steps 42 2.4.2 Simulation of creasing and folding 42 2.4.3 Simulation of hydroforming 44 3 EXPERIMENTAL PROCESS ANALYSIS 46 3.1 Shape accuracy analysis 46 3.1.1 Measurement method 46 3.1.2 Validation 48 3.1.3 Experimental conditions 50 3.1.4 Results 51 3.1.4.1 Parametric study 51 3.1.4.2 Influence of heat energy transfer 55 3.1.4.3 Relationship between shape accuracy and transferred heat energy 58 3.2 Analysis of wrinkling 62 3.2.1 Method 62 3.2.2 Validation 64 3.2.3 Results 65 3.2.3.1 Influence of material properties on wrinkling 65 3.2.3.2 Parametric study 66 3.2.3.3 Relationship between wrinkling and transferred heat energy 71 3.3 Rupture in deep drawing 73 3.3.1 Method 73 3.3.2 Results 77 4 SIMULATIVE PROCESS ANALYSIS 84 4.1 Explicit FEM analysis 84 4.1.1 Modeling 84 4.1.1.1 FEM-model 84 4.1.1.2 Material model 88 4.1.1.3 Modeling of temperature effects 92 4.1.2 Calibration 93 4.1.3 Validation 94 4.1.4 Results 96 4.1.4.1 Punch force 96 4.1.4.2 Analysis of stresses in deep drawing 101 4.1.5 Limitations for FEM-models 106 4.2 Global model 109 4.2.1 Material model 109 4.2.1.1 Mechanical behavior 109 4.2.1.2 Wrinkling model 110 4.2.1.3 Inhomogeneity 112 4.2.2 Modeling of environmental influence 113 4.2.3 Friction model 114 4.2.4 Rupture model 115 5 CONCLUSIONS 117 REFERENCES 121 INDEX TO APPENDICES 140 APPENDIX 141

Gewebe sind nicht nur durch ihre biochemische Zusammensetzung definiert, sondern auch durch ihre individuellen mechanischen Eigenschaften. Inzwischen ist es weithin akzeptiert, dass Zellen ihre mechanische Umgebung spüren und darauf reagieren. Zum Beispiel werden Zellmigration und die Differenzierung von Stammzellen durch die Umgebungssteifigkeit beeinflusst. Um diese Effekte in vitro zu untersuchen, wurden viele Zellkulturstudien auf 2D Hydrogelsubstraten durchgeführt. Zusätzlich dazu steigt die Anzahl von Studien an, die hydrogelbasierte 3D-Scaffolds nutzen, um 2D Studien zu validieren und die experimentellen Bedingungen der Situation in vivo anzunähern. Jedoch erweist es sich weiterhin als schwierig den Effekt von Mechanik in 3D in vitro zu untersuchen, da in den gemeinhin genutzten 3D Hydrogelsystemen immer eine Kopplung zwischen Gelporosität und Steifigkeit besteht. Zusätzlich hängt die Konzentration der biologisch aktiven Bindungsstellen für Zellen oft ebenfalls von der Steifigkeit ab. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Optimierung neuer 3D Hydrogelkugel-Scaffolds, in denen die Steifigkeit von der Porosität schließlich entkoppelt wird. Mit Hydrogelkugeln als Scaffold-Bausteine ist es nun möglich 3D Scaffolds mit definierten mechanischen Eigenschaften und konstanter Porengröße zu generieren. Während der Methodenentwicklung wurden verschiedene Prinzipien und Kultivierungskammern konstruiert und überarbeitet, gefolgt von der theoretischen Betrachtung der Sauerstoffdiffusion, um die Eignung der gewählten Kammer hinsichtlich Zellvitalität und Zellwachstum zu überprüfen. Eine Kombination aus mehreren getesteten Filtern wurde ausgewählt um HydrogelkugelScaffolds erfolgreich in der ausgewählten Kammer zu generieren. Im Weiteren wurden verschiedene Hydrogelmaterialien untersucht hinsichtlich der erfolgreichen Produktion monodisperser Hydrogelkugeln und der Erzeugung stabiler Scaffolds. Hydrogelkugeln aus Polyacrylamid (PAAm) wurden als Scaffold-Bausteine ausgewählt um damit die Eignung des entwickelten Systems zu demonstrieren lebende Zellen zu mikroskopieren. Außerdem wurde das Überleben von Fibroblasten über vier Tage in unterschiedlich steifen HydrogelkugelScaffolds erfolgreich gezeigt. Weiterhin war es möglich erste Zellmigrationsexperimente durchzuführen. Dafür wurden sowohl einfache PAAm-Hydrogelkugeln als auch mit Adhäsionsmolekülen funktionalisierte Hydrogelkugeln genutzt, um unterschiedlich steife Schichten in einem Scaffold zu erzeugen. Dadurch war es möglich nicht nur Zellmigration anhand von Zelladhäsion in 3D Scaffolds mit Steifigkeitsgradienten zu beobachten, sondern auch Zellmigration ohne Zelladhäsion.:1 Introduction 1.1 Mechanics play a role in biology 1.2 3D cultures and scaffolds 1.3 3D hydrogel systems to study effects of mechanics 1.4 Decoupling stiffness and porosity in 3D scaffolds 2 Materials 3 Methods 3.1 Laser scanning microscopy and microscopy data processing 3.2 Atomic force microscopy (AFM) 3.3 Refractive index matching of PMMA beads 3.4 Regular PMMA bead scaffolds for developing analysis algorithm 3.5 Cell culture standards 3.6 Fluorescent labelling of ULGP agarose 3.7 Production of polydisperse ULGP agarose beads 3.8 Hydrogel bead production via microfluidics 3.9 PAAm bead functionalization 3.10 Real-time fluorescence and deformability cytometry (RT-fDC) 3.11 3D scaffolds made from hydrogel beads 3.12 Statistics 4 Results 4.1 Design of a suitable scaffold device 4.2 Theoretical oxygen supply in 3D culture system is sufficient for cell survival and proliferation 4.3 Further optimization of 3D scaffold device 4.3.1 PMMA beads can be arranged in stable scaffolds 4.3.2 Regular PMMA bead scaffolds can be achieved and analysed 4.3.3 PMMA bead scaffolds and agarose bead scaffolds act as combined filter to stack up hydrogel beads 4.4 PAAm hydrogel beads produced by microfluidics are suitable to create compliant 3D scaffolds 4.5 Reproducible, regular and stable 3D scaffolds made of hydrogel beads 4.6 NIH-3T3/GFP cell migration within 3D hydrogel bead scaffolds 5 Discussion and Concluding Remarks 6 Bibliography List of Figures List of Tables Eigenständigkeitserklärung Appendix A Appendix B FIJI macro for FFT analysis maxima Python script to determine regularity of PMMA bead scaffolds Excel macro to determine number of peaks for regularity analysis / Tissues are defined not only by their biochemical composition, but also by their distinct mechanical properties. It is now widely accepted that cells sense their mechanical environment and respond to it. For example, cell migration and stem cell differentiation is affected by stiffness. To study these effects in vitro, many cell culture studies have been performed on 2D hydrogel substrates. Additionally, the amount of 3D studies based on hydrogels as 3D scaffold is increasing to validate 2D in vitro studies and adjust experimental conditions closer to the situation in vivo. However, studying the effects of mechanics in vitro in 3D is still challenging as commonly used 3D hydrogel assays always link gel porosity with stiffness. Additionally, the concentration of biologically active adhesion sides often also depends on the stiffness. This work presents the development and optimization of novel 3D hydrogel bead scaffolds where the stiffness is finally decoupled from porosity. With hydrogel beads as scaffold building blocks it was possible to generate 3D scaffolds with defined mechanical properties and a constant pore size. During the method development, different culture devices were constructed and revised, followed by oxygen diffusion simulations to proof the suitability of the chosen device for cell survival and growth. A combination of different filter approaches was selected to generate hydrogel bead scaffolds in the culture device. Furthermore, different hydrogel materials were investigated regarding successful production of monodisperse beads and stable scaffold generation. Polyacrylamide (PAAm) hydrogel beads were chosen as scaffold building blocks to demonstrate live-cell imaging and successful cell survival over four days in differently compliant hydrogel bead scaffolds. Moreover, first cell migration experiments were performed by using plain PAAm hydrogel beads as well as PAAm hydrogel beads functionalized with adhesion molecules with differently stiff layers in one scaffold. Thereby fibroblast migration was observed not only in adhesion-dependent migration manner, but also in an adhesion-independent mode .:1 Introduction 1.1 Mechanics play a role in biology 1.2 3D cultures and scaffolds 1.3 3D hydrogel systems to study effects of mechanics 1.4 Decoupling stiffness and porosity in 3D scaffolds 2 Materials 3 Methods 3.1 Laser scanning microscopy and microscopy data processing 3.2 Atomic force microscopy (AFM) 3.3 Refractive index matching of PMMA beads 3.4 Regular PMMA bead scaffolds for developing analysis algorithm 3.5 Cell culture standards 3.6 Fluorescent labelling of ULGP agarose 3.7 Production of polydisperse ULGP agarose beads 3.8 Hydrogel bead production via microfluidics 3.9 PAAm bead functionalization 3.10 Real-time fluorescence and deformability cytometry (RT-fDC) 3.11 3D scaffolds made from hydrogel beads 3.12 Statistics 4 Results 4.1 Design of a suitable scaffold device 4.2 Theoretical oxygen supply in 3D culture system is sufficient for cell survival and proliferation 4.3 Further optimization of 3D scaffold device 4.3.1 PMMA beads can be arranged in stable scaffolds 4.3.2 Regular PMMA bead scaffolds can be achieved and analysed 4.3.3 PMMA bead scaffolds and agarose bead scaffolds act as combined filter to stack up hydrogel beads 4.4 PAAm hydrogel beads produced by microfluidics are suitable to create compliant 3D scaffolds 4.5 Reproducible, regular and stable 3D scaffolds made of hydrogel beads 4.6 NIH-3T3/GFP cell migration within 3D hydrogel bead scaffolds 5 Discussion and Concluding Remarks 6 Bibliography List of Figures List of Tables Eigenständigkeitserklärung Appendix A Appendix B FIJI macro for FFT analysis maxima Python script to determine regularity of PMMA bead scaffolds Excel macro to determine number of peaks for regularity analysis

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Plasmafilters für die Herstellung defektarmer wasserstofffreier Kohlenstoffschichten (ta-C) auf Basis einer leistungsfähigen gepulsten Vakuumbogentechnologie sowie der Charakterisierung der mit dieser Technologie abgeschiedenen Schichten.