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

ANSYS ® AIMTM verbindet die Simulation mechanischer, strömungsmechanischer, thermischer und elektrischer Eigenschaften in einer neuen, intuitiven Oberfläche und einem über alle physikalischen Disziplinen gleichen Arbeitsprozess. Auf diese Weise kann die volle Breite physikalischer Fragestellungen nun auch direkt in der Produktentwicklung durch Konstrukteure und Entwicklungsingenieure genutzt werden, um ein ganzheitliches Produktverständnis zu erzielen. Wie dieser Zugang zur Produktsimulation für jeden Ingenieur mit ANSYS ® AIMTM erreicht wird, stellt der Vortrag unter folgenden Themenüberschriften heraus: - Paradigmenwechsel in der Produktentwicklung - Integriert Funktionen: • Multiphysics Simulation • Variantenanalysen • Geometriemodellierung • Prozessautomatisierung - ANSYS® AIMTM live in der Anwendung Das Produkt ANSYS® AIMTM ist seit Anfang 2015 als kommerzielles Produkt verfügbar. In den Versionen für Forschung und Lehre wird den Zugang mit der nächsten Softwareversion ermöglicht. Daher wird die Vorgehensweise in der Live Vorführung auch vielen langjährigen ANSYS ® Anwendenden neue Eindrücke geben. Im letzten Jahr wurde von CADFEM auf der SAXSIM Tagung ein allgemeiner Einblick in Möglichkeiten der gekoppelten Simulation mit ANSYS Workbench gegeben. Mittlerweile sind viele der dort genannten Anwendungsbeispiele einfacher in ANSYS ® AIMTM lösbar.

Es wurde ein hydrostatischer Verbundstrangpressprozess analysiert, bei dem das Kernmaterial aus Magnesium und das Mantelmaterial aus Aluminium besteht. Ausgehend von der Problematik, dass die Verbunde eine starke Vorschädigung in Form von Rissen im Bereich der Grenzschicht zwischen den Verbundpartner aufwiesen, wurde der Prozess analysiert. Mit Hilfe der numerischen FEM-Simulation wurde ein Berechnungsmodell aufgebaut, anhand dessen der Prozess detailliert und maßgeblich hinsichtlich der wirkenden Spannungen und auftretenden Dehnungen untersucht wurde. Es wurden die Größen Kontaktschubspannung und axiale Umformgraddifferenz identifiziert, die einen Zusammenhang aufzeigten zwischen ihrer Änderung und der aufgetretenen Qualität im Strang. Für eine verbesserte Aussagequalität und bedingt durch die vielen Wechselwirkungen der beeinflussenden Parameter im Prozess wurde die Methode der statistischen Versuchsplanung (DoE) hinzugezogen. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde der Prozess optimiert, in dem die Matrizengeometrie als ein beeinflussender Parameter angepasst worden ist, so dass ein gleichmäßigerer Werkstofffluss gewährleistet und die Strangqualität verbessert werden konnte. Im Folgenden wurde ein integratives, empirisches Verbundstrangpressmodell entwickelt, das es ermöglicht, die Verbundqualität, die Verbundfestigkeit und die Dicke der sich ausbildenden Grenzschicht zu berechnen.:Inhaltsverzeichnis V Vorwort VII Einleitung 1 1 Stand der Technik 3 1.1 Allgemeines, Historische Entwicklung und Einteilung des Strangpressens 3 1.2 Wissenschaftliche Arbeiten auf dem Gebiet des Verbundstrangpressens, der Schädigung und der Haftfestigkeit 9 1.2.1 Prozess - Verbundstrangpressen 11 1.2.2 Schädigung 21 1.2.3 Haftfestigkeitsmodelle 28 1.3 Schlussfolgerung aus dem Stand der Technik 33 1.4 Zielsetzung und Struktur der Arbeit 35 2 Experimentelle Untersuchungen- Strangpressversuche 38 2.1 Ergebnisse der Pressversuche - Projektphase I 43 2.2 Ergebnisse der Projektphase II 52 2.3 Ergebnisse der Projektphase III 54 2.4 Besonderheiten, Oberflächenqualität, Verfahrenscharakteristika 56 3 Numerische Untersuchungen 64 3.1 Numerische Modellbildung 64 3.1.1 Materialbeschreibung/Fließkurven 66 3.1.2 Thermische Modellbildung 70 3.2 Ergebnisse der numerischen Analyse für das hydrostatische Strangpressen 81 3.2.1 Ermittlung einer indikativen Schädigungsgröße innerhalb der Simulation 91 3.2.2 Einfaktorielle Variationsrechnungen 95 3.3 Statistische Versuchsplanung und Analyse 103 3.3.1 Allgemeines und Versuchsplanung 103 3.3.2 Auswertung Versuchskern und erweiterter Versuchsplan 107 3.3.3 Fehleranalyse zu Versuchsplanergebnissen 113 3.4 Axiale Umformgraddifferenz als Indikatorgröße für die Schädigung 120 3.4.1 Volumenstromanalyse 128 3.4.2 Statistische Analyse hinsichtlich der Zielgröße axiale Dehnungsdifferenz 133 4 Integrativer Modellansatz zur Bestimmung qualitativer und quantitativer Merkmale des Verbundes 138 4.1 Allgemeines 138 4.2 Qualitätsmodell 139 4.2.1 Diskussion 139 4.2.2 Qualitätsmodell - Modellformulierung 145 4.3 Haftfestigkeitsmodell 155 4.4 Diffusionsmodell 163 5 Zusammenfassung 170 6 Ausblick 172 7 Quellen 174 Abbildungsverzeichnis IX Tabellenverzeichnis XV Kurzzeichenverzeichnis XVI Abkürzungsverzeichnis XIX / A compound made of aluminum (sleeve material) and magnesium (core material) was analyzed. The compound was built up in a hydrostatic co-extrusion process. First investigations showed damage (cracks) in the interface between the aluminum and the magnesium. Regarding the damage an optimization of the process was necessary. The FEM simulation was used to analyze the process. The focus of the analysis was the stresses and strains in the forming zone. A first result was that high contact shear stresses occurred in the interface. These stresses damaged the interface. Further investigations showed big strain differences between both of the materials. These differences caused in the different flow behaviour (yield stresses) of both materials. A better understanding was reached by a design of experiment (doe). This analysis showed the interactions between the different parameters and the influence of the parameters itself. Parameters with a big influence on the compound quality are the yield stresses, the die design, the friction and the billet design. The first result was an improvement of the compound quality by changing the die design. Therefore, an impeccable compound quality could be reached. Furthermore the results of analysis lead to an embracing empirical compound extrusion model. This consists of three single models. The first model was the quality model. This model allows to predict the compound quality with respect to the big influencing parameters. The second model was a bond strength model. This model gives the possibility to compute the strength of the interface. And at last the third model was the diffusion model. The embracing compound extrusion model allows to make a statement about the compound quality and strength before any real trials are carried out.:Inhaltsverzeichnis V Vorwort VII Einleitung 1 1 Stand der Technik 3 1.1 Allgemeines, Historische Entwicklung und Einteilung des Strangpressens 3 1.2 Wissenschaftliche Arbeiten auf dem Gebiet des Verbundstrangpressens, der Schädigung und der Haftfestigkeit 9 1.2.1 Prozess - Verbundstrangpressen 11 1.2.2 Schädigung 21 1.2.3 Haftfestigkeitsmodelle 28 1.3 Schlussfolgerung aus dem Stand der Technik 33 1.4 Zielsetzung und Struktur der Arbeit 35 2 Experimentelle Untersuchungen- Strangpressversuche 38 2.1 Ergebnisse der Pressversuche - Projektphase I 43 2.2 Ergebnisse der Projektphase II 52 2.3 Ergebnisse der Projektphase III 54 2.4 Besonderheiten, Oberflächenqualität, Verfahrenscharakteristika 56 3 Numerische Untersuchungen 64 3.1 Numerische Modellbildung 64 3.1.1 Materialbeschreibung/Fließkurven 66 3.1.2 Thermische Modellbildung 70 3.2 Ergebnisse der numerischen Analyse für das hydrostatische Strangpressen 81 3.2.1 Ermittlung einer indikativen Schädigungsgröße innerhalb der Simulation 91 3.2.2 Einfaktorielle Variationsrechnungen 95 3.3 Statistische Versuchsplanung und Analyse 103 3.3.1 Allgemeines und Versuchsplanung 103 3.3.2 Auswertung Versuchskern und erweiterter Versuchsplan 107 3.3.3 Fehleranalyse zu Versuchsplanergebnissen 113 3.4 Axiale Umformgraddifferenz als Indikatorgröße für die Schädigung 120 3.4.1 Volumenstromanalyse 128 3.4.2 Statistische Analyse hinsichtlich der Zielgröße axiale Dehnungsdifferenz 133 4 Integrativer Modellansatz zur Bestimmung qualitativer und quantitativer Merkmale des Verbundes 138 4.1 Allgemeines 138 4.2 Qualitätsmodell 139 4.2.1 Diskussion 139 4.2.2 Qualitätsmodell - Modellformulierung 145 4.3 Haftfestigkeitsmodell 155 4.4 Diffusionsmodell 163 5 Zusammenfassung 170 6 Ausblick 172 7 Quellen 174 Abbildungsverzeichnis IX Tabellenverzeichnis XV Kurzzeichenverzeichnis XVI Abkürzungsverzeichnis XIX

Der Vortrag zeigt, wie aus einem mathematisch-technischen Sachverhalt ein didaktisch begründetes Unterrichtsbeispiel abgeleitet werden kann und stellt die unterrichtlichen Nutzungsmöglichkeiten vor. Für die digitale Bildbearbeitung spielt die Interpolation eine wichtige Rolle und dient hierbei als Berechnungsverfahren für die Bildgrößenänderung. Interpolation ist ein Approximationsverfahren, bei dem z.B. zu Punkten mit bekannten Koordinaten eine Funktion berechnet wird, die alle diese Punkte erfüllt. Mit dieser Funktion können dann beliebige Zwischenwerte berechnet werden. Dabei bestimmt die Zahl der Datenpunkte die Zahl der notwendigen Polynomterme. Wegen ihrer mathematischen Eigenschaften werden häufig Polynome benutzt. Die Lösung der Aufgabe führt über ein lineares Gleichungssystem zur Bestimmung der Koeffizienten des Polynoms. Der erste Teil des Vortrages befasst sich mit der beispielhaften Darstellung der bikubischen Interpolation und deren Realisierung mittels MathCAD. Es wird gezeigt, wie aus den konkreten Schwärzungswerten eines Digitalbildes für eine Bildvergrößerung ein zu interpolierender Zwischenwert für einen neuen Bildpunkt berechnet wird. Der MathCAD-Wortschatz wird angegeben und notwendige didaktische Vereinfachungen werden beschrieben. Im zweiten Teil werden die Nutzung des Themas als Unterrichtsgegenstand in der Sekundarstufe II in seiner Wechselwirkung zwischen digitaler Bildbearbeitung, Mathematik und Informatik (Nutzung von MathCAD) erläutert, die thematischen Verflechtungsmöglichkeiten aufgezeigt und das didaktische Potential beleuchtet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von anwendungsspezifisch angepassten und drucktechnisch herstellbaren Antennen für Radio‐Frequency‐Identification (RFID) Anwendungen im Ultra‐High‐Frequency (UHF) und Super‐High‐Frequency (SHF) Frequenzbereich. Dabei werden alle Entwicklungsschritte und deren Abhängigkeiten vom Antennenentwurf über die Simulation, die Herstellung im Druckverfahren und die Antennenvermessung betrachtet. Die Alleinstellungsmerkmale der vorliegenden Arbeit liegen in der Erforschung von Antennen, welche eine hohe Funktionalität in herausfordernden dielektrischen oder metallischen Umgebungen (Glas, Holz, Papier, Aluminium, …) aufweisen sowie im Druckverfahren hergestellt werden. Mit Hilfe von FEM‐ und MoM‐Berechnungen werden neu entwickelte Antennenkonzepte wie 898 MHz‐Dipolantennen, 868 MHz‐Längsstrahler‐ Antennenkonfigurationen, 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfigurationen und 5.8 GHz‐3D‐Dipol‐ Antennendesigns zur Erhöhung der Kommunikationsfähigkeit untersucht und beschrieben. Dabei werden hinsichtlich der 868 MHz‐Längsstrahler‐Antennenkonfiguration, zur Funktion in direkter metallischer Umgebung, Performance mindernde Depolarisationseffekte nachgewiesen. Eine Minimierung dieser Effekte wird mit der gezielten Krümmung elektromagnetischer Wellenfronten zwischen abstrahlendem Antennenelement und Reflektor erreicht. Der Nachweis wird anhand einer selbst entwickelten 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfiguration geführt. Um die Leistungsfähigkeit gedruckter Antennen weiter zu steigern, werden Antennen mit gerichteter Abstrahlcharakteristik mit einer Resonanzfrequenz von 5.8 GHz und einer Frequenzbandbreite von 150 MHz entworfen. Als ein Ergebnis werden Antennen mit dreidimensionaler Geometrie vorgestellt. Die Besonderheit hierbei liegt in der planaren Herstellung der Antenne im Druckverfahren und der anschließenden dreidimensionalen Aufrichtung. Die entwickelten Antennen sind direkt in kommerzielle und industrielle Anwendung überführbar. / This doctoral thesis focuses on research and development in the field of novel, optimized and printed antenna structures for UHF and SHF-RFID applications in challenging dielectric and metallic environments. These antenna structures have a high level of functionality, the manufacturing costs are low and they can easily be integrated. At the beginning of this work, based on wave equations it had been deduced that the propagation of electromagnetic waves in different media is dependent on the two material parameters permeability and permittivity. Based on this knowledge and further application- and manufacturing-specific parameters (resonance frequency, radiation characteristics, impedance, properties of the object which is to be identified (form, geometry, permeability and permittivity) and manufacturing-specific properties (substrate, material and printed layer thereof)), dipole antenna designs for different dielectric environments (air, paper, glass or wood) were designed, investigated with the help of a simulation tool, manufactured employing screen and gravure printing technologies and characterized in an anechoic chamber. The employed printing technologies are very dynamic processes which depend on various process parameters. In order to improve the functionality of printed antenna structures, several dependencies between the printing processes and the achieved antenna properties have been investigated. Summed up, it can be stated that next to all manufacturing-specific dependencies, the antenna design itself is the most significant factor influencing the achievable antenna properties. Next to carrying out research on dielectric antennas in the near field, finding novel antenna concepts for the realization of highly functional UHF-RFID-transponder-antennas for the application on metallic objects was also part of this investigation. Important to account for is that the metallic objects influence the propagation of electromagnetic waves. In order to efficiently use this physical property of the reflection of electromagnetic waves, novel UHF-reflector-antenna configurations have been designed. Afterwards, its antenna-polarizations behavior was investigated in several simulations before the antenna was manufactured employing screen printing technology and characterized in an anechoic chamber. The developed antenna-configuration showed impressive RFID-reading distances up to 8.1 m (with a RFID-reader transmitting power of 1 W ERP) and compared to the state-of-the-art technology (reading distance approx. 5 m). Therefore this technology enhances the reading performance (distance) by approximately 60 %. In order to improve the communication quality of future RFID-systems, also novel, multi-directional 3D-RFID transponder antenna structures with a resonance frequency of 5.8 GHz were designed. Because of the increased resonance frequency compared to already existing UHF-RFID systems, the usage of a broader-band RFID-frequency range is possible (5.725 GHz – 5.875 GHz (150 MHz) instead of just several kHz). This allows identifying significantly more objects (> 100) in parallel. The three-dimensional layout of two antenna parts vertical to each other allows a directional (not omni-directional) radiation characteristic outside the enclosed volume of space. Because of this, the influence of dielectric materials (for instance content of product packages) on the functionality of the antenna could be significantly reduced. Also, it was shown that the designed 3D-antenna structure could easily be integrated directly on the interior of for instance product packages employing screen printing technology. After folding/erecting the product package, the antenna receives its three dimensional shape and its verified improved performance.

Vorgestellt werden verschiedene Programmierschnittstellen von Creo. Des Weiteren werden Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der konstruktionsbegleitenden Simulation (Creo Simulate) vorgestellt. Ziel ist die Entlastung des Konstrukteurs/Berechners von Routineaufgaben und die Integration von Wissen in das Simulationsmodell.

Der mit flüssigem Natrium gefüllte Druckbehälter eines Präzessionsexperimentes unterliegt im Betrieb einer Vielzahl an Belastungen. Neben den aus der Rotation und Präzession resultierenden Fliehkräften und dem gyroskopischen Moment müssen ebenfalls die fertigungsbedingten Unwuchten sowie die Fluid-Struktur-Interaktion berücksichtigt werden. Darüber hinaus stellen die bei der Erwärmung bzw. Abkühlung auftretenden thermischen Spannungen eine wesentliche Beanspruchung dar. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der es ermöglicht, alle diese transienten und winkelabhängigen Lasten bei minimalem Rechenaufwand in den Berechnungsprozess einzubeziehen und die für den statischen und zyklischen Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie maßgeblichen Beanspruchungen zu identifizieren. Dies ermöglicht die vollflächige Berechnung des Auslastungsgrades in ANSYS Workbench.

In advanced robot applications, the challenge today is that the robot should perform different successive subtasks to achieve one or more complicated tasks similar to human. Hence, this kind of tasks required to combine different kind of sensors in order to get full information about the work environment. However, from the point of view of control, more sensors mean more possibilities for the structure of the control system. As shown previously, vision and force sensors are the most common external sensors in robot system. As a result, in scientific papers it can be found numerous control algorithms and different structures for vision/force robot control, e.g. shared, traded control etc. The lacks in integration of vision/force robot control could be summarized as follows: • How to define which subspaces should be vision, position or force controlled? • When the controller should switch from one control mode to another one? • How to insure that the visual information could be reliably used? • How to define the most appropriated vision/force control structure? In many previous works, during performing a specified task one kind of vision/force control structure has been used which is pre-defined by the programmer. In addition to that, if the task is modified or changed, it would be much complicated for the user to describe the task and to define the most appropriated vision/force robot control especially if the user is inexperienced. Furthermore, vision and force sensors are used only as simple feedback (e.g. vision sensor is used usually as position estimator) or they are intended to avoid the obstacles. Accordingly, much useful information provided by the sensors which help the robot to perform the task autonomously is missed. In our opinion, these lacks of defining the most appropriate vision/force robot control and the weakness in the utilization from all the information which could be provided by the sensors introduce important limits which prevent the robot to be versatile, autonomous, dependable and user-friendly. For this purpose, helping to increase autonomy, versatility, dependability and user-friendly in certain area of robotics which requires vision/force integration is the scope of this thesis. More concretely: 1. Autonomy: In the term of an automatic decision system which defines the most appropriated vision/force control modes for different kinds of tasks and chooses the best structure of vision/force control depending on the surrounding environments and a priori knowledge. 2. Versatility: By preparing some relevant scenarios for different situations, where both the visual servoing and force control are necessary and indispensable. 3. Dependability: In the term of the robot should depend on its own sensors more than on reprogramming and human intervention. In other words, how the robot system can use all the available information which could be provided by the vision and force sensors, not only for the target object but also for the features extraction of the whole scene. 4. User-friendly: By designing a high level description of the task, the object and the sensor configuration which is suitable also for inexperienced user. If the previous properties are relatively achieved, the proposed robot system can: • Perform different successive and complex tasks. • Grasp/contact and track imprecisely placed objects with different poses. • Decide automatically the most appropriate combination of vision/force feedback for every task and react immediately to the changes from one control cycle to another because of occurrence of some unforeseen events. • Benefit from all the advantages of different vision/force control structures. • Benefit from all the information provided by the sensors. • Reduce the human intervention or reprogramming during the execution of the task. • Facilitate the task description and entering of a priori-knowledge for the user, even if he/she is inexperienced.

In einer Einleitung werden verschiedene Möglichkeiten der Kopplung unterschiedlicher physikalischer Domänen diskutiert. Begriffe wie Kopplung auf Systemebene über Terminals und auf Feldebene über Lastvektor oder Matrixkopplung werden zugeordnet. Wie diese Kopplungsmöglichkeiten sich in der ANSYS Simulationsumgebung wiederfinden, wird aufgezeigt. Am Beispiel eines Akuators wird erläutert, welche physikalischen Domänen gekoppelt betrachtet werden müssen, um die hier vorhandenen temperaturabhängigen Materialeigenschaften zu berücksichtigen. In einem Beispiel zu einer Steckverbindung wird aufgezeigt, wie eine vom Kontaktdruck abhängige Leitfähigkeit berücksichtigt wird und Ergebnisse aus dieser Simulation werden diskutiert.

Im Rahmen des Exzellenzclusters MERGE an der TU Chemnitz erfolgt die Entwicklung eines kontinuierlichen großserientauglichen Verfahrens zur Herstellung komplexer geschlossener Strukturbauteile. Hierbei werden vorimprägnierte faserverstärkte thermoplastische Halbzeuge (thermoplastische Tapes) in einem Kombinationsverfahren aus thermoplastischen Tapelegen und Tapewickeln verarbeitet. Für dieses kontinuierliche Orbitalwickelverfahren wurde ein spezieller Technologiedemonstrator entwickelt mit dessen Hilfe Machbarkeitsstudien zur Erbringung des Funktionsnachweises durchgeführt werden. Die oben genannte Versuchsanlage ermöglicht die Erzeugung rotationssymmetrischer Profile, die zudem einen inkonstanten Querschnitt aufweisen können. Für die Anlagenkonzeptionierung wurde ein Beispielprofil eines Strukturbauteils ausgewählt und die Anlagendimensionierung durchgeführt. Basierend auf dem Entwurf werden zur Anlagendimensionierung die Parameter der Einzelantriebe mit Hilfe inverser Kinematik simulativ und analytisch abgeleitet und durch anschließende Simulation in CreoElements/Pro® vervollständigt. Die konstruktive Realisierung erfolgte mittels Solid Works. Die abschließende simulative Validierung wurde wiederum mittels CreoElements/Pro® durchgeführt. Diese Arbeiten entstanden im Rahmen des Bundesexzellenzclusters EXC 1075 "Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung.