Gegenstand dieser Arbeit war das Stabilitätsverhalten von binären kolloidalen Suspensionen mit hohen Feststoffkonzentrationen (z. B. keramische Suspensionen). Dabei wurde die Stabilität mit Hilfe des Sedimentationsverhaltens bewertet und mit dem Grenzflächenzustand korreliert, der als effektives Zetapotenzial erfasst wurde. Die Untersuchungen erfolgten an drei Oxiden mit unterschiedlichen physiko-chemischen Eigenschaften, wobei die Suspensionszusammensetzung und der pH-Wert über weite Bereiche variiert wurden. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit besteht im Nachweis, dass die Löslichkeit der einzelnen partikulären Komponenten in den binären Suspensionen zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Grenzflächeneigenschaften führt und dadurch das Stabilitätsverhalten des gesamten Systems maßgeblich bestimmt. Von Relevanz ist zudem das Mischungsverhältnis, von dem zum einen das Löse- und Adsorptionsverhalten und zum anderen die Morphologie von Heteroaggregaten abhängt und das auf diese Weise auch für das makroskopische Verhalten entscheidend ist. Die Arbeit zeigt deutlich, dass das Reich der Kolloide neben universellen Mechanismen von stoffspezifischen Phänomenen beherrscht wird. Daraus folgt, dass eine allumfassende Behandlung der Stabilität nicht möglich ist. Vielmehr kann nur an Beispielen demonstriert werden, welche Art von Phänomenen auftreten und wie sie genutzt oder vermieden werden können.:Vorwort i Inhaltsverzeichnis iii Nomenklatur vii 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 2 1.2 Zielstellung 3 1.3 Vorgehen 3 2 Grundlagen kolloidaler Suspensionen 4 2.1 Charakteristik kolloidaler Systeme 4 2.2 Grenzflächen in Suspensionen 5 2.2.1 Elektrochemische Doppelschicht 5 2.2.2 Wechselwirkung zwischen Ionen und Grenzflächen 9 2.2.3 Veränderung der Grenzflächen durch das Lösen der Partikel 12 2.3 Wechselwirkungen zwischen kolloidalen Partikeln 14 2.3.1 Doppelschichtwechselwirkung 14 2.3.2 Van-der-Waals-Wechselwirkung 16 2.3.3 Bornsche Abstoßung 17 2.3.4 DLVO-Theorie 18 2.3.5 Nicht-DLVO-Effekte 19 2.4 Stabilität binärer Suspensionen 20 2.4.1 Partikelkoagulation in binären Systemen 21 2.4.2 Wechselwirkungen zwischen beschichteten Partikeln 28 2.5 Sedimentation konzentrierter Suspensionen 30 2.5.1 Sedimentationstypen 30 2.5.2 Sedimentation und Stabilität 33 2.6 Stand des Wissens 34 3 Eigenschaften der ausgewählten Oxide 35 3.1 Amorphes SiO2 35 3.1.1 Oberfläche von amorphen SiO2 36 3.1.2 Verhalten vom SiO2 in Wasser 36 3.1.3 Lösen von SiO2 37 3.2 -Al2O3 39 3.3 TiO2 42 4 Experimentelle Untersuchungen 43 4.1 Versuchsübersicht 43 4.2 Verwendete Partikelsysteme 44 4.2.1 Allgemeine Eigenschaften der verwendeten Partikelsysteme 44 4.2.2 Strukturelle Partikeleigenschaften 45 4.3 Verwendete Geräte 47 4.3.1 Elektroakustisches Spektrometer DT 1200 47 4.3.2 Analytische Photozentrifuge – LUMiFuge 116 49 4.4 Zubereitung und Handhabung der Suspensionen 51 4.4.1 Ansatz und Vorbehandlung der Suspensionsproben 52 4.4.2 Durchführung der Messungen 52 4.5 Bestimmung des effektiven Zetapotenzials 53 4.5.1 Auswertung für fraktale Partikel 53 4.5.2 Auswertung für binäre Systeme 55 4.6 Bestimmung der Probenstabilität 55 4.6.1 Durchführung der Sedimentationsanalysen 56 4.6.2 Deutung der Transmissionsprofile 56 4.6.3 Phänomenologische Bewertung der Transmissionsprofile 57 4.6.4 Quantitative Analyse der Transmissionsprofile 62 4.7 Bestimmung des gelösten SiO2 68 4.8 Bewertung der experimentellen Methodik 70 5 Ergebnisse 72 5.1 Wässrige Suspensionen einer partikulären Komponente 72 5.1.1 Einfluss von Art und Konzentration des Hintergrundelektrolyten auf den Zetapotenzial-pH-Verlauf am Beispiel von SiO2 72 5.1.2 Vergleich der Oxide bei standardmäßiger Probenvorbereitung 76 5.1.3 Bewertung der Ergebnisse für die Einstoffsuspensionen 87 5.2 Wässrige Suspensionen zweier unterschiedlicher partikulärer Komponenten 88 5.3 Binäre Suspensionen aus TiO2 und Al2O3 89 5.3.1 Zetapotenzialverläufe der TiO2/Al2O3-Suspensionen 89 5.3.2 Sedimentationsverhalten der TiO2/Al2O3-Suspensionen 91 5.3.3 Stabilität der Suspensionen aus TiO2 und Al2O3 98 5.4 Binäre Suspensionen aus TiO2 und SiO2 99 5.4.1 Zetapotenzialverläufe der TiO2/SiO2-Suspensionen 99 5.4.2 Sedimentationsverhalten der TiO2/SiO2-Suspensionen 100 5.4.3 Lösen und Ausfällung des SiO2 109 5.4.4 Einfluss des gelösten SiO2 auf die Grenzflächen der TiO2/SiO2-Suspensionen 118 5.4.5 Einfluss des gelösten SiO2 auf die Stabilität der TiO2/SiO2-Suspensionen 122 5.4.6 Stabilität der Suspensionen aus TiO2 und SiO2 128 5.5 Binäre Suspensionen aus Al2O3 und SiO2 129 5.5.1 Zetapotenzialverläufe der Al2O3/SiO2-Suspensionen 129 5.5.2 Sedimentationsverhalten der Al2O3/SiO2-Suspensionen 130 5.5.3 Einfluss der Löslichkeit von Al2O3 und SiO2 auf die Eigenschaften der binären Suspensionen 139 5.5.4 Stabilität der Suspensionen aus Al2O3 und SiO2 149 6 Zusammenfassung und Diskussion 150 6.1 Zusammenfassung der Ergebnisse 152 6.2 Diskussion und Ausblick 154 6.3 Fazit 157 7 Literaturverzeichnis 159 8 Abbildungsverzeichnis 180 9 Tabellenverzeichnis 188 Anhang A Hamaker-Funktion 191 Anhang B Berechnung der Stabilitätsverhältnisse 195 Anhang C Experimentelle Versuche 198 Anhang D Reproduzierbarkeit der Stabilitätsversuche 200 Anhang E Laborgeräte, Analysentechnik und Chemikalien 204 Anhang F Bestimmung von gelöstem SiO2 206

Gas nitriding is known as a convenient process to improve the wear resistance of steel components. A precipitation-free hardening by low-temperature processes is established to retain the good corrosion resistance of stainless steel. In cases of thermal spray coatings, the interstitial solvation is achieved without an additional surface activation step. The open porosity permits the penetration of the donator media and leads to a structural diffusion. An inhomogeneous diffusion enrichment occurs at the single spray particle edges within the coating’s microstructure. A decreasing diffusion depth is found with increasing surface distance. The present study investigates an adjusted process management for low-temperature gas nitriding of high velocity oxy-fuel-sprayed AISI 316L coatings. To maintain a homogeneous diffusion depth within the coating, a pressure modulation during the process is studied. Additionally, the use of cracked gas as donator is examined. The process management is designed without an additional surface activation step. Regardless of surface distance, microstructural investigations reveal a homogeneous diffusion depth by a reduced processing time. The constant hardening depth allows a reliable prediction of the coatings’ properties. An enhanced hardness and improved wear resistance is found in comparison with the as-sprayed coating condition.

Twist plays an important role to impart tensile strength in yarn during the spinning process. In the most widely used ring-spinning machine for short staple yarn production, a combination of ring and traveler is used for inserting twist and winding the yarn on cops. The main limitation of this twisting mechanism is the friction between the ring and traveler, which generates heat at higher speed and limits the productivity. This limitation can be overcome by the implementation of a magnetic bearing system based on superconducting technology, which replaces completely the existing ring/traveler system of the ring-spinning machine. This superconducting magnet bearing consists of a circular superconductor and permanent magnet ring. After cooling the superconductor below its transition temperature, the permanent magnet ring levitates and is free to rotate above the superconductor ring according to the principles of superconducting levitation and pinning. Thus the superconducting magnetic bearing (SMB) ensures a friction-free operation during spinning and allows one to increase spindle speed and productivity drastically. The yarn properties using the SMB system have also been investigated and they remain nearly identical to those of conventional ring yarns.

This paper presents a mathematical model to predict the distribution of yarn tension and the balloon shape as a function of spindle speed in the ring spinning process. The dynamic yarn path from the delivery rollers to the winding point on the cop has been described with a non-linear differential equation system. These equations have been integrated with a Runge–Kutta method using MATLAB software. Since the numerical solution of the equations strongly depends on initial values, an algorithm of sensitivity analysis has been developed to predict the right choice of initial values in order to find a stable solution. For model validation purposes, the yarn tension has been measured between delivery rollers and yarn guide. Furthermore, a high-speed camera has been used to capture the balloon shape at different spindle angular velocities in order to compare the theoretically determined balloon shape with the one that actually occurs on the machine.

The fundamental research work about the superconducting magnetic bearing (SMB) twisting system provides huge potential to eliminate the most important limitation of productivity, that is, the friction in the ring traveler system of the existing ring spinning process. As a continuity of the research work, the functionality of the SMB spinning has been carried out with different angular spindle speeds, yarn counts, and materials in order to determine the influence of the SMB technology. The current paper presents a comparative investigation of the yarn properties, such as yarn tenacity, yarn elongation, yarn evenness, microscopic views, etc., between conventional and SMB ring spun yarn. The intensive analysis confirms that the SMB system enables one to produce satisfactory yarn quality similar to that of conventional ring spun yarn up to 15,000 rpm. The influence of conventional and SMB spinning processes on yarn properties has been further analyzed statistically using an analysis of variance.

Scope of the presented work is a detailed comparison of a macroscopic draping model with real fibre architecture on a complex non-crimp-fabric preform using a new robot-based optical measurement system. By means of a preliminary analytical process design approach, a preforming test centre is set up to manufacture dry non-crimp-fabric preforms. A variable blank holder setup is used to investigate the effect of different process parameters on the fibre architecture.The real fibre architecture of those preforms is captured by the optical measurement system, which generates a threedimensional model containing information about the fibre orientation along the entire surface of the preform. The measured and calculated fiber orientations are then compared with the simulation results in a three-dimensional overlay file. The results show that the analytical approach is able to predict local hot spots with high shear angles on the preform. Macroscopic simulations show a higher sensitivity towards changes in blank holder pressure than reality and limit the approach to precisely predict fibre architecture parameters on complex geometries.

Die ökologischen und ökonomischen Anforderungen der heutigen Zeit verlangen energieeffiziente Verarbeitungsverfahren. Vor diesem Hintergrund befasst sich diese Arbeit mit dem Kunststoffblasformprozess, der neben dem für die Kunststoffverarbeitung typischen hohen Energiebedarf zusätzlich ein hohes Maß an energieintensiv zu erzeugender Druckluft erfordert. Ausgehend von einer ausführlichen Energiebilanz des Extrusionsblasformprozesses wurde der zur Formgebung (Blasluft) und zur inneren Blasteilkühlung (Spülluft) benötigte Drucklufteinsatz als eine energetische Schwachstelle identifiziert. Zur Reduzierung des erforderlichen Druckluftaufwands bei der Formgebung wird die Prozessrückführung der Blasluft detailliert betrachtet. Weiterhin wird ein Speichersystem vorgestellt, das eine sekundäre Nutzung der bei der inneren Blasteilkühlung kontinuierlich anfallenden druckbehafteten Prozessabluft ermöglicht. Abschließend wird ein Ansatz zum effektiven Drucklufteinsatz bei der inneren Kühlung flaschenförmiger Blasteile aufgezeigt, der durch gezieltes Ausnutzen von für den Wärmeübergang günstiger Strömungsverhältnisse eine Kühlzeitverkürzung sowie eine Reduzierung des Druckluftaufwands verspricht.:1 Einleitung 2 Prozessanalyse des Blasformverfahrens 3 Motivation, Zielstellung und Aufbau der Arbeit 4 Energetische Bilanzierung des Extrusionsblasformverfahrens 5 Reduzierung des Druckluftaufwands bei der Formgebung 6 Sekundärnutzung der zur inneren Blasteilkühlung verwendeten Druckluft 7 Effektive Druckluftnutzung bei der inneren Kühlung flaschenförmiger Blasteile 8 Zusammenfassung und Ausblick / Today's ecological and economic requirements demand energy-efficient processing methods. Against this background, this thesis deals with the plastic blow moulding process, which, in addition to the high energy demand typical for plastics processing, requires a high degree of energy-intensive compressed air. Based on a detailed energy balance of the extrusion blow moulding process, the use of compressed air required for forming (blow air) and for internal cooling of the blowing parts (purge air) was identified as an energetic weak point. In order to reduce the amount of compressed air required for forming, a feedback process used to recycle the blowing air is investigated in detail. Furthermore, a storage system will be presented which allows a secondary use of the pressurized process exhaust air, which is continuously generated during the internal cooling of the blowing part. Finally, an optimization approach for the effective use of compressed air for the internal cooling of bottle-shaped blow-moulded parts is presented, which promises a shortening of the cooling time and a reduction of the compressed air required through the targeted use of favourable flow conditions for heat transfer.:1 Einleitung 2 Prozessanalyse des Blasformverfahrens 3 Motivation, Zielstellung und Aufbau der Arbeit 4 Energetische Bilanzierung des Extrusionsblasformverfahrens 5 Reduzierung des Druckluftaufwands bei der Formgebung 6 Sekundärnutzung der zur inneren Blasteilkühlung verwendeten Druckluft 7 Effektive Druckluftnutzung bei der inneren Kühlung flaschenförmiger Blasteile 8 Zusammenfassung und Ausblick

An die Musterfertigung von Systemlieferanten stellt sich die besondere Anforderung, Prototypen verschiedener Erzeugnisse, in vielfältigen Kundenvarianten, in jeweils unterschiedlichen Produktreifegraden, parallel zu fertigen. Daraus resultiert eine spezifische Variabilitätsausprägung der Produktionsplanungsparameter, die zu einer hohen Komplexität und Turbulenz in der Ablaufsteuerung einer Musterfertigung führt. Infolgedessen gilt der Planparametervariabilitätsfall Musterfertigung, sowohl in der Theorie als auch in der betrieblichen Praxis, als ein bislang ungelöstes Steuerungsproblem, welches ein hohes Verbesserungspotenzial aufweist. Die vorliegende Arbeit analysiert und beleuchtet diesen Problemfall im Rahmen einer vergleichenden Fallstudienuntersuchung. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird ein Konzept zur Steuerung einer Musterfertigung bei Systemlieferanten entwickelt und in seinem Anwendungszusammenhang evaluiert. / Sample production of tier 1 automotive suppliers demands producing simultaneously different product samples in many customised versions and within various maturity levels. The associated variability of the time-phased work content leads to a high degree of complexity and turbulence in the manufacturing process of such a production type. Therefore, sample production control becomes significantly more complicated and most existing control approaches fail in the real world. For this reason the present thesis examines this subject matter by means of a comparative case study. Based on the findings a customized production control concept will be introduced that fully adapts the specific needs of sample production of tier 1 automotive suppliers.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung partikelverstärkter Weich- und Weichaktivlote mit dem Ziel der Eigenschaftsverbesserung der Lötverbindungen. Ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik wird ein Konzept zur Einbringung von keramischen Verstärkungspartikeln in eine Sn-Basis-Lotmatrix erarbeitet und umgesetzt. Im Falle partikelverstärkter Weichaktivlote wird durch das zusätzliche Legieren der Lotmatrix mit dem reaktiven Element Titan die Ausbildung von zwei Reaktionszonen erreicht, welche die Haftung zwischen Partikel und Matrix steigern. Die mechanischen Eigenschaften dieser Verbindungen werden gegenüber der Partikelverstärkung ohne Aktivelement weiter verbessert. Zum Fügen der Aluminium- und Alumi-niummatrix-Verbundwerkstoffe (AMC) findet ein ultraschallunterstütztes Lötverfahren Anwendung, das eine Benetzung ohne den Einsatz von Flussmitteln ermöglicht. Die hergestellten Lötverbindungen zeichnen sich durch gesteigerte Verbindungsfestigkeiten, vor allem bei erhöhten Temperaturen, sowie eine verbesserte Kriechbeständigkeit aus. Aufgezeigt wird das Potenzial der Lote anhand von Zug- und Scherzugversuchen sowie Kriechuntersuchungen, die mit den Ergebnissen der Mikrostrukturanalyse und der fraktografischen Bewertung korreliert werden. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und sich daraus ergebenden Folgerung. Weiterhin liefert sie Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten auf diesem Gebiet. / This thesis deals with the development, manufacturing and characterisation of particle-reinforced solders and active solders to improve the mechanical properties of soldered joints. Based on the state of the art, a concept for embedding of ceramic particles in a Sn-based filler matrix is planed and realised. In the case of particle-reinforced active solders two interfacial reaction layers which increase the bonding between the particles and the filler matrix are formed due to the alloying by the reactive element Ti. The mechanical properties of these joints are improved in comparison to particle-reinforced solders without surface-active elements. For joining of aluminium and aluminium matrix composites (AMC), an ultrasound-supported soldering process was used, that accomplishes a fluxless wetting. The produced joints are featured by an improved joining strength, mainly at elevated temperatures, and an increased creep resistance. The potential of the developed solders is performed by tensile and shear as well as creep tests that are correlated with the results of the micro-structural and fractographical analysis. The Discussion and the drawn conclusions summarise the work and give new approaches for following investigations.

Steigende Leichtbauanforderungen führten in den vergangenen Jahren zu einer verstärkten Weiterentwicklung neuer Leichtbauwerkstoffe und besonders leistungsfähiger Verfahrenstechnik für die Umsetzung leichter Automobilkomponenten in Großserie. Im Fahrzeuginterieur konnten sich naturfaserverstärkte Kunststoffe erfolgreich etablieren, die in Form flächiger Wirrfaserhalbzeuge zu formgepressten Verkleidungselementen verarbeitet werden. Für die Auslegung derartiger Verkleidungsbauteile ist eine monolithische Leichtbauweise charakteristisch, bei der zur Gewährleistung erforderlicher mechanischer Eigenschaften die minimalen Halbzeugflächenmassen bauteilabhängig im Bereich 1200–1400 g/m2 liegen. Zur Erschließung weiterer Leichtbaupotenziale stellt die Anwendung der Sandwichverbundbauweise eine aussichtsreiche Leichtbaustrategie dar, die aufgrund des Fehlens anforderungsgerechter Materialkonzepte bisher kaum Berücksichtigung fand. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines ganzheitlichen Leichtbaukonzepts in neuartiger Sandwichbauweise, welches die Anforderungen hinsichtlich der Formgebung und Bauteilstabilität erfüllt und eine signifikante Reduktion der Flächenmasse unter 1000 g/m2 gestattet. Die verfahrenstechnische Grundlage bildet eine neuartige durchgängige Prozesskette, wobei leichte Naturfaser-Polypropylen-Hybridvliesstoffe in Kombination mit einer Kunststoffschaumfolie in einem kontinuierlichen Prozess zu einem Sandwichhalbzeug und anschließend in automatisiertem Formpressverfahren zu einem komplex geformten Bauteil verarbeitet werden. Durch eine umfangreiche Charakterisierung der einzelnen Prozessschritte entlang der gesamten Prozesskette werden in zugehörigen Sensitivitätsanalysen optimale Fertigungsparameter ermittelt und bei der Herstellung eines Technologiedemonstrators validiert. Darüber hinaus wird am Beispiel dieses Technologiedemonstrators erstmalig ein integrativer Simulationsansatz erarbeitet, der umformbedingte lokale Änderungen der Flächenmasse und der resultierenden Werkstoffkennwerte bei der numerischen Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse berücksichtigt. Abschließend erfolgt im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung die Beurteilung potenzieller Umweltwirkungen der entwickelten Sandwichverbundtechnologie sowie die Untersuchung einer verfahrenstechnischen Lösung zur stofflichen Wiederverwertung von Produktionsreststoffen und Altbauteilen.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung / Rising lightweight requirements have led in recent years to an intensified development of new lightweight materials and high-performance processing technologies for the implementation of lightweight automotive components in a large scale production. For trim parts in the automotive interior, natural fiber-reinforced plastics in the form of nonwovens, are successfully established. To fullfill the mechanical requirements, the most common design of such parts is monolithical with an component specific area weight of the semi-finished products between 1200–1400 g/m2. A promising strategy for generating further lightweight potentials are sandwich constructions, which are currently rarely used in the automotive interior, due to the lack of suitable material concepts. The aim of this work is the development of a new sandwich-based lightweight concept, that fullfills the requirements in terms of formability and component stability, by permitting a weight reduction of the semi-finished product below 1000 g/m 2 at the same time. The part production is based on a novel process chain, where light NF-PP hybrid nonwovens are continuously processed with a polymeric foam foil to a semi-finished product, that is formed afterwards to complex parts in a compression molding process. The optimal processing parameters along the entire process chain are determined by sensitivity analyses, and validated by a technology demonstrator. In addition, the technology demonstrator will be used for the development of a novel simulation approach, where local changes of the area weight in the forming process and the resulting material properties are taken into account for a numerical analysis of stiffness and strength. Finally the potential environmental impact of the new sandwich-based lightweight technology and a possible method for material recycling are investigated.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung