Im Rahmen dieser Arbeit wurde für ein magnetisches Hydrogel auf Alginat-Methylcellulose-Basis und Mikropartikeln aus Magnetit über einen Beobachtungszeit-raum von mindestens 14 Tagen eine umfassende Charakterisierung des Deformationsverhaltens auf makroskopischer Ebene und der Partikelanalyse auf mikrostruktureller Ebene in Abhängigkeit von Partikelgehalt, Alterung und Lagerungsbedingungen durchgeführt. Für diese Untersuchungen wurde ein, den Maxwell-Aufbau verwendender Versuchsstand konstruiert, der ein definiertes Feld mit einem annähernd konstanten Feldgradient in axialer Richtung aufweist. Die Hauptuntersuchungen wurden an Tag 0, 1 und 14 für Proben mit 5, 15, 25 und 35 wt% Magnetit durchgeführt. Schwerpunkte der Arbeit sind zum einen die Bestimmung von E-Modul, Zeitverhalten und Biegeverhalten und zum anderen die Erstellung von Modellen zur Beschreibung des Deformationsverhaltens. Als weitere Eigenschaften wurden das Fließverhalten, die Formstabilität, die Dichte und die magnetischen Eigenschaften analysiert. Hinsichtlich einer zyklischen Stimulation für eine medizinische Anwendung wurden Proben mit 25 wt% Magnetit über 14 Tage täglich einer Frequenz von 1 Hz über 3 h ausgesetzt. Dafür wurde im Rahmen dieser Arbeit der 9-Kammern-Bioreaktor CyMAD entwickelt und nach erfolgter Stimulation Untersuchungen zum Biegeverhalten und eine Partikelanalyse durchgeführt.:Inhaltsverzeichnis I Abkürzungsverzeichnis V Symbolverzeichnis VI 1 Einleitung 1 1.1 Medizinischer Hintergrund und Motivation 1 1.2 Lösungsansatz 2 1.3 Ziele und Inhalt der Arbeit 3 2 Grundlagen 5 2.1 Matrixmaterial 5 2.1.1 Alginat 5 2.1.2 Methylcellulose 6 2.1.3 Alginat-MC-Scaffolds 8 2.2 Magnetismus 9 2.3 Tissue Engineering 12 2.3.1 Additive Fertigung von Hydrogelen 13 2.3.2 Gestaltungs- und Einsatzmöglichkeiten von Alginatscaffolds 15 2.3.3 Smart Materials im Tissue Engineering - Ermittlung des Deformationsvermögens und Anwendungen von magnetischen Druckpasten 16 2.3.4 Stimulation von Zellen – applizierte Dehnungen und Versuchsaufbauten 17 3 Materialien und Probenherstellung 21 3.1 Wahl der magnetischen Partikel 21 3.2 Herstellung der Druckpaste 22 3.3 Probenherstellung 22 3.3.1 Versuche zum Biegeverhalten 22 3.3.2 Zugversuche 22 3.3.3 VSM-Messungen 23 3.4 Lagerungsbedingungen 24 4 Verwendete und angepasste Messtechnik 25 4.1 Rotationsviskosimeter und Zugprüfmaschine 25 4.1.1 Definition der mechanischen Eigenschaften 25 a) Fließverhalten 25 b) Elastizitätsmodul 26 4.1.2 Ermittlung der mechanischen Eigenschaften 27 a) Messgerät Physica MCR 301von Anton Paar 27 b) Aufbau als Rotationsviskosimeter und Versuchsdurchführung 28 c) Aufbau, Durchführung und Adaptionen der Zugversuche hinsichtlich der Messung von Hydrogelen 29 4.2 Vibrating Sample Magnetometer 30 4.2.1 Aufbau und Funktionsweise 31 4.2.2 Messgerät VSM 7407 32 4.3 Röntgencomputertomografie 32 4.3.1 Grundlagen der Erzeugung von Röntgenstrahlung 32 4.3.2 Messprinzip und Datenverarbeitung der Röntgencomputertomografie 33 4.3.3 Experimentelle Aufbauten für die Röntgencomputertomografie 36 a) Messtechnische Gegebenheiten der Labortomografieanlage TomoTU 36 b) Versuchsstand „Magnetmesszelle“ 37 5 Verarbeitung der Bilddaten 40 5.1 Makroskopische Betrachtungen 40 5.1.1 Ermittlung der Biegelinie 40 5.1.2 Ermittlung des Zeitverhaltens 42 5.1.3 Ermittlung der Formstabilität 42 5.2 Mikroskopische Betrachtungen 43 5.2.1 Ermittlung der Partikelverteilung mittels Watershed-Algorithmus 43 5.2.2 Ermittlung der richtungsabhängigen Paarkorrelationsfunktion 44 6 Modellierung des Deformationsverhaltens 46 6.1 Beschreibung des Zeitverhaltens 46 6.1.1 PTn-Glieder (Regelungstechnik) 46 6.1.2 Retardation von Kunststoffen 47 6.2 Modellierung der Durchbiegung mittels Balkentheorie 48 6.2.1 Annahmen und Vereinfachungen 48 6.2.2 Gestaltung der Probenaufnahme 49 6.2.3 Berechnungen der Biegelinie und der benötigten Kraft 51 6.3 Berechnung der magnetischen Kraft 52 6.4 Modellbereich 54 7 Grundcharakterisierung und Vorbetrachtungen 55 7.1 Reproduzierbarkeit der Alginat-PBS-Lösung 55 7.2 Charakterisierung des verwendeten Magnetits 57 7.2.1 Oberflächenbeschaffenheit und Form 57 7.2.2 Partikelgrößenverteilung 57 7.3 Sensitivitätsanalyse 58 7.3.1 Wahl der Parameter und deren Kombination 58 7.3.2 Einfluss von Temperatur und Lagermedium auf den Probendurchmesser 59 7.3.3 Zusammenfassung 62 7.4 Formstabilität der Proben 62 7.5 Dichte 63 7.6 Magnetische Eigenschaften 64 8 Experimentelle Untersuchungen zum Deformationsverhalten 67 8.1 Elastizitätsmodul 67 8.1.1 Grundlegendes zur Auswertung 67 8.1.2 E-Moduln nach der Vernetzung 70 8.1.3 E-Modul in Abhängigkeit von Zeit und Partikelkonzentration 73 8.1.4 E-Modul für 25 wt% Magnetit in Abhängigkeit von der Zeit 75 8.1.5 E-Modul für einen beschleunigten Alterungsprozess 76 8.2 Zeitverhalten 77 8.2.1 Sprungantwort 77 a) Fitfunktion zur Beschreibung des zeitabhängigen Deformationsverhaltens 77 b) Definition und Bestimmung der Parameter 81 8.2.2 Schlussfolgerungen für die Untersuchungen zum Deformationsverhalten 82 a) Bedeutung für die Erfassung der Biegelinie 82 b) Bedeutung für zyklische Belastungen 83 8.3 Biegeverhalten 83 8.3.1 Validierung des Fastscans 85 8.3.2 Biegelinien 88 a) Abhängigkeit der Biegelinie von Alter und Partikelkonzentration 88 b) Vergleich nicht stimulierter und stimulierter Proben mit 25 wt% Magnetit 91 8.3.3 Vergleich von Theorie und Praxis 92 8.3.4 Fehlerdiskussion 98 a) Korrektur der Biegelinie 98 b) Eignung des Modells 100 8.4 Partikelanalyse 101 8.4.1 Partikelverteilung 102 8.4.2 Paarkorrelationsfunktion 108 8.5 Bedeutung für das TE 114 8.5.1 Vergleich zu etablierten Verfahren im TE 114 8.5.2 Übertragbarkeit auf autoklaviertes Material 115 8.5.3 Gestaltungsansatz für Scaffolds 115 9 Zusammenfassung 118 10 Ausblick 121 Tabellenverzeichnis X Abbildungsverzeichnis XI Literaturverzeichnis XVI

Es wurde die Optimierungssoftware SPC-Opt entwickelt, mit welcher sich Aufgaben aus den Bereichen der Formoptimierung sowie der Material- und Formidentifikation bearbeiten lassen. Zur Lösung von Identifikationsproblemen steht eine robuste Implementierung des Levenberg-Marquardt-Fletcher-Verfahrens zur Verfügung. Ergänzt wird dieses durch Line-Search- und Trust-Region-Verfahren, welche sich besonders für Aufgaben der Formoptimierung eignen. Es wurden effiziente Algorithmen zur Approximation der Hesse-Matrix sowie verschiedene Verfahren zur Startparametervariation integriert. Das Programm verfügt über Schnittstellen zur Nutzung von ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, eigenen FEM-Programmen sowie LUA-Skripten. Für Formoptimierungen können geometrische Konturen durch NURBS approximiert und deren Kontrollpunkte als Formparameter genutzt werden. Die Aktualisierung der FEM-Netze entsprechend der Formparameteränderung erfolgt durch ein analytisches Verfahren. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit bezieht sich auf die Weiterentwicklung bestehender Verfahren zur Materialparameteridentifikation im Bereich der Gummiwerkstoffe. Hierbei wurde das Konzept der Anpassung anhand bauteilnaher Probekörper entwickelt. Dabei wurde am Beispiel einer Fahrwerksbuchse ein Probekörper entworfen, welcher dem originalen Bauteil zwar ähnlich sieht, jedoch eine deutlich einfachere Geometrie hat. Durch diesen konnte das Verhalten des Bauteils gut approximiert und sichergestellt werden, dass die im Rahmen der Parameteridentifikation durchgeführten FEM-Simulationen sicher konvergieren. Zudem wurden die Nutzerschnittstellen des inelastischen Morph-Stoffgesetz für MSC.MARC und ABAQUS weiterentwickelt, sodass diese nunmehr auch im industriellen Umfeld nutzbar sind. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Verwendung bauteilnah identifizierter Parameter zu einer erheblich besseren Abbildung des Materialverhaltens führt als die Verwendung anhand von Standardprobekörpern identifizierter Parameter. Weiterhin zeigte sich, dass vor allem der Einsatz eines Stoffgesetzes mit der Möglichkeit zur Abbildung des charakteristischen Verhaltens von Elastomeren unbedingt erforderlich ist. / Within the scope of this work the optimization software SPC-Opt has been developed to successfully process tasks in the fields of shape optimization and parameter identification. The software includes a robust Levenberg-Marquardt-Fletcher algorithm, several line search and trust region algorithms as well as efficient methods for the approximation of the Hessian matrix. Additionally, procedures for the variation of initial parameters (Design Of Experiments) were implemented. The software includes interfaces to ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, in-house FEM programs and LUA scripts. Within shape optimization problems, geometric shapes are approximated by NURBS and the related control points are employed as design variables. For the update of the FE mesh during the variation of the design variables, a special analytical algorithm is used to preserve the mesh topology. Another focus is related to the further development of existing material parameter identification procedures for rubber materials. Therefor, the concept of component-oriented specimens was developed. Using the example of a bushing, a specimen was designed, which is similar to the original component but has a much simpler geometry. According to this, the behavior of the original component is approximated and the stability of necessary FE simulations is ensured. Additionally, the utilized Model of Rubber Phenomenology (MORPH) is improved in view of the industrial use. It is shown that the identification of material parameters using component-oriented specimens leads to a much better approximation of the original component behaviour than using standard specimens. Additionally, it is shown that the use of a material law which can consider characteritic properties of elastomers, is absolutely necessary.

In der Zahnmedizin werden endodontische Instrumente aus metallischen und polymeren Werkstoffen zur Desinfektion infizierter Wurzelkanalsysteme eingesetzt. Durch den Einsatz von Polymeren ergeben sich aufgrund ihrer günstigen Werkstoffeigenschaften die Vorzüge einer minimal invasiven Arbeitsweise und einer geringeren Bruchgefahr. Demgegenüber besitzen die eingesetzten metallischen Instrumente durch hochfrequente Oszillationen eine verbesserte Reinigungswirkung. Zur Auslegung optimierter polymerbasierter Instrumente, die zuverlässig reinigen, wird daher eine simulationsbasierte Entwicklungsmethode erarbeitet. Ausgangspunkt hierfür ist die ingenieurwissenschaftliche Analyse der methodischen und experimentellen Grundlagen des Gesamtsystems. Die Beschreibung des instationären Schwingungsverhaltens der Instrumente erfolgt durch dynamische Finite-Elemente-Analysen unter Verwendung eines viskoelastischen Materialmodells. Das dazu erforderliche Materialverhalten des ausgewählten Polymers Polyetheretherketon wird mithilfe eines neu entwickelten Prüfaufbaus charakterisiert. Das erarbeitete Simulationsmodell ermöglicht erstmalig eine Analyse des kontaktmechanischen Verhaltens polymerer Miniaturstrukturen unter hochfrequenter Schwingungsanregung. Im Ergebnis steht mit diesem Modell eine realitätsnahe Beschreibung des Schwingungsverhaltens und der auftretenden Beanspruchungen zur Verfügung. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zur gezielten, werkstoffgerechten und schwingungsoptimierten Auslegung von zukünftigen zahnmedizinischen Instrumenten zur Wurzelkanalreinigung.:1 Einleitung 1.1 Literaturübersicht 1.2 Problemstellung und Zielsetzung 2 Thermoplastische Polymere für die Anwendung in endodontischen Instrumenten 2.1 Mechanische und technische Anforderungen 2.1.1 Bestimmung einer repräsentativen Wurzelkanalgeometrie 2.1.2 Schwingungstechnik und Aufbau von Reinigungsansätzen 2.1.3 Werkstoffauswahl für Reinigungsansätze 2.1.4 Fertigungstechnologien für Miniaturstrukturen aus PEEK 2.2 Biologische und mechanische Wechselwirkungen 2.2.1 Verhalten gegenüber desinfizierenden Spüllösungen 2.2.2 Tribologie der Wurzelkanalreinigung 3 Analyse des zyklischen Verformungsverhaltens von PEEK 3.1 Phänomenologische Beschreibung des Verformungsverhaltens 3.1.1 Klassifizierung des Materialverhaltens 3.1.2 Elastische Verformung thermoplastischer Polymere 3.1.3 Mechanische Dämpfung 3.2 Experimentelle Untersuchungen 3.2.1 Probekörper 3.2.2 Versuchsaufbau und Durchführung 3.2.3 Voruntersuchungen 3.2.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 4 Modellierung des zyklischen Deformationsverhaltens von PEEK 4.1 Einachsige rheologische viskoelastische Materialmodelle 4.1.1 Allgemeine konstitutive Gleichungen 4.1.2 Einachsige rheologische Grundelemente 4.1.3 Einachsige rheologische Modelle 4.1.4 Vergleich der einachsigen rheologischen Modelle 4.2 Charakterisierung des viskoelastischen Materialverhaltens 4.2.1 Analytische Beschreibung der Balkenschwingung 4.2.2 Resonanzkurvenverfahren 4.2.3 Bestimmung der Materialparameter von PEEK 4.3 Numerische Implementierung eines mehrachsigen Materialmodells 4.3.1 Mehrachsiges Materialmodell 4.3.2 Validierung des implementierten Materialmodells 5 Simulation des Schwingungsverhaltens und experimentelle Verifikation 5.1 Numerische Simulationsmodelle 5.1.1 Geometrische Modelle 5.1.2 Rand- und Anfangsbedingungen 5.1.3 Kontaktmodellierung 5.2 Simulationsergebnisse 5.2.1 Schwingungsverhalten ohne Oberflächenkontakt 5.2.2 Schwingungsverhalten mit Oberflächenkontakt 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis A Experimentelle Voruntersuchungen B Klassische Balkentheorie / In dentistry, endodontic instruments made of metallic and polymer materials are used for the disinfection of infected root canal systems. Due to their beneficial material properties, the use of polymers offers the advantages of a minimally invasive operation and a lower risk of breakage. In contrast, the metallic instruments used have an improved cleaning efficiency due to high-frequency oscillations. A simulation-based development method for the design of optimized polymer-based instruments that clean effectively is therefore being worked out. As starting point, an engineering analysis of the methodological and experimental fundamentals of the overall system has been carried out. The description of the instrument’s transient vibration behavior is performed by dynamic finite element analyses using a viscoelastic material model. The required material behavior of the selected polymer polyetheretherketone is characterized with the aid of a newly developed test setup. The resulting simulation model allows for the first time an analysis of the contact mechanical behavior of polymeric miniaturized structures under high-frequency vibration excitation. As a result, this model provides a realistic description of the vibration behavior and the stresses that occur. The knowledge gained will make a significant contribution to the targeted, material-specific and vibration-optimized design of future dental instruments for root canal irrigation.:1 Einleitung 1.1 Literaturübersicht 1.2 Problemstellung und Zielsetzung 2 Thermoplastische Polymere für die Anwendung in endodontischen Instrumenten 2.1 Mechanische und technische Anforderungen 2.1.1 Bestimmung einer repräsentativen Wurzelkanalgeometrie 2.1.2 Schwingungstechnik und Aufbau von Reinigungsansätzen 2.1.3 Werkstoffauswahl für Reinigungsansätze 2.1.4 Fertigungstechnologien für Miniaturstrukturen aus PEEK 2.2 Biologische und mechanische Wechselwirkungen 2.2.1 Verhalten gegenüber desinfizierenden Spüllösungen 2.2.2 Tribologie der Wurzelkanalreinigung 3 Analyse des zyklischen Verformungsverhaltens von PEEK 3.1 Phänomenologische Beschreibung des Verformungsverhaltens 3.1.1 Klassifizierung des Materialverhaltens 3.1.2 Elastische Verformung thermoplastischer Polymere 3.1.3 Mechanische Dämpfung 3.2 Experimentelle Untersuchungen 3.2.1 Probekörper 3.2.2 Versuchsaufbau und Durchführung 3.2.3 Voruntersuchungen 3.2.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 4 Modellierung des zyklischen Deformationsverhaltens von PEEK 4.1 Einachsige rheologische viskoelastische Materialmodelle 4.1.1 Allgemeine konstitutive Gleichungen 4.1.2 Einachsige rheologische Grundelemente 4.1.3 Einachsige rheologische Modelle 4.1.4 Vergleich der einachsigen rheologischen Modelle 4.2 Charakterisierung des viskoelastischen Materialverhaltens 4.2.1 Analytische Beschreibung der Balkenschwingung 4.2.2 Resonanzkurvenverfahren 4.2.3 Bestimmung der Materialparameter von PEEK 4.3 Numerische Implementierung eines mehrachsigen Materialmodells 4.3.1 Mehrachsiges Materialmodell 4.3.2 Validierung des implementierten Materialmodells 5 Simulation des Schwingungsverhaltens und experimentelle Verifikation 5.1 Numerische Simulationsmodelle 5.1.1 Geometrische Modelle 5.1.2 Rand- und Anfangsbedingungen 5.1.3 Kontaktmodellierung 5.2 Simulationsergebnisse 5.2.1 Schwingungsverhalten ohne Oberflächenkontakt 5.2.2 Schwingungsverhalten mit Oberflächenkontakt 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis A Experimentelle Voruntersuchungen B Klassische Balkentheorie

Die additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren. Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“.

Testing equipment based on the propagation of elastic waves are commonly used for measuring specific material properties. As a prerequisite for accurate measurements a reliable acoustic coupling of probe and specimen is highly important. Therefore, high-resolution testing equipment is using fluids as couplant. In certain conditions, only non-contacting methods can be considered. This is the case for example, if particular high or low temperatures are present, if topographic features impede the use of ultrasonic probes, diffusion or solubility processes exist, measurements at vacuum are addressed and if high purity requirements need to be fulfilled. Hence, subject of this work is a method which offers to handle these constraints. With the emergence of modern laser systems the scientific basics for a non-contacting, laser-acoustic excitation of ultrasound were discovered. The tremendous development of commercially available laser systems during the last decade was taken as reason to investigate, to which extent former scientifically designed laboratory setups can now be merged into one single application oriented measuring system. All considerations are based on the thermoelastic excitation of ultrasound in combination with a likewise laser-based detection. By this, a self-contained measuring chain is built which combines the attributes non-destructive, non-contacting and application oriented within one ultrasonic measurement system for the first time. Thermal calculations lead to more precise equations which predict a laser-induced, local temperature rise of about 100 K. The examination of sound field simulations, as a prerequisite for the design of ultrasonic systems, identified an additional complex of problems. Although existing calculation approaches presuppose laser intensity profiles what can be described in analytical terms, real-world laser sources exhibit a complex shaped spatial distribution of laser energy. Based on a preceding CEFIT simulation, the developed CPSS method enables the calculation of the time resolved, 3D wave propagation of arbitrary shaped sources. A comparison to measured data successfully validated the results of simulation. By presenting selected scenario of measurements, the practical suitability of this non-contacting method is demonstrated. Using a transmission setup enables the characterization of open-pore ceramic coatings as well as the deduction of longitudinal and transversal speeds of sound. Equally, the imaging and estimation of the depth position of artificial defects with 0.7 mm in diameter is shown. Measurements based on a reflection setup provided evidence of a resolution limit of at least FBH = 1 mm in 4.5 mm depth. Additional examples demonstrate the ability to detect close-surface defects, the analysis of the challenging lamb waves zero-group-velocity S1 mode as well as the utilization of buried laser-acoustic sources. / Prüfsysteme, welche die Ausbreitungseigenschaften elastischer Wellen zur Ableitung spezifischer Messgrößen nutzen, sind etablierte Messverfahren. Voraussetzung für zuverlässige Ergebnisse ist stets die sichere akustische Kopplung zwischen Sensor und Material. Daher arbeiten hochauflösende Prüfsysteme mit Fluiden als Koppelmedium. Unter bestimmten Bedingungen scheiden kontaktierende Ultraschallsysteme allerdings ersatzlos aus. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Probe eine besonders niedrige oder hohe Temperatur besitzt, topografische Eigenschaften ein sicheres Ankoppeln der Kontaktprüfköpfe erschweren, Diffusionsvorgänge oder Löslichkeiten zu beachten sind, in Vakuum zu arbeiten ist oder erhöhte Reinheitsanforderungen vorliegen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Technik welche hilft, diese Einschränkungen zu umgehen. Mit dem Aufkommen der ersten Laserquellen entstanden die wissenschaftlichen Grundlagen zur kontaktlosen Anregung und Detektion von Ultraschall. Die rasante Entwicklung kommerziell verfügbarer Lasersysteme der vergangenen Dekade wurde zum Anlass genommen zu untersuchen, in wie weit sich die einst wissenschaftlich orientierte Laboraufbauten zu einem anwendungsnahen Messsystem zusammenführen lassen. Basis der Arbeiten ist die thermoelastische Anregung von Ultraschall in Kombination mit einer ebenfalls kontaktlosen Detektion. Damit entsteht eine geschlossene Messkette welche erstmals die Eigenschaften zerstörungsfrei, kontaktlos und anwendungsorientiert in einem Ultraschallmesssystem vereint. Ausgangspunkt stellt die thermische Simulation der Anregung dar. Mit Hilfe präzisierter Gleichungen wird eine lokale Erwärmung von lediglich 100 K vorausgesagt. Für die zur Auslegung eines akustischen Messsystems notwendige Schallfeldsimulation wurde eine weitere Problematik identifiziert. Während bekannte Rechenansätze stets analytisch beschreibbare Strahlprofile des Lasers voraussetzen, zeigen reale Laserquellen kompliziert gestaltete räumliche Intensitätsverteilungen. Auf Basis einer vorangestellten CEFIT-Simulation ist mit der entwickelten CPSS-Methode eine zeitdiskrete Berechnung der 3D-Wellenausbreitung beliebiger Quellgeometrien möglich. Vergleiche mit realen Messdaten bestätigen die Simulationsrechnungen. Anhand ausgewählter Messszenarien wird die Praxistauglichkeit der kontaktlosen Arbeitsweise demonstriert. Neben der Charakterisierung einer offenporigen keramischen Beschichtung erlauben Transmissionsmessungen die Berechnung der longitudinalen und transversalen Schallgeschwindigkeiten. Ebenso ist die Abbildung wie auch die Beurteilung der Tiefenlage von Referenzfehlern mit lediglich 0,7 mm Durchmesser möglich. In Reflexionsmessungen wurde eine Auflösungsgrenze von mindestens KSR = 1 mm in 4,5 mm Tiefe nachgewiesen. Weitere Beispiele zeigen die Sensitivität hinsichtlich oberflächennaher Fehler, die Auswertung der anspruchsvollen „Zero Group Velocity“ S1-Mode der Lambwelle wie auch die Nutzung eingebetteter Quellen.

Testing equipment based on the propagation of elastic waves are commonly used for measuring specific material properties. As a prerequisite for accurate measurements a reliable acoustic coupling of probe and specimen is highly important. Therefore, high-resolution testing equipment is using fluids as couplant. In certain conditions, only non-contacting methods can be considered. This is the case for example, if particular high or low temperatures are present, if topographic features impede the use of ultrasonic probes, diffusion or solubility processes exist, measurements at vacuum are addressed and if high purity requirements need to be fulfilled. Hence, subject of this work is a method which offers to handle these constraints. With the emergence of modern laser systems the scientific basics for a non-contacting, laser-acoustic excitation of ultrasound were discovered. The tremendous development of commercially available laser systems during the last decade was taken as reason to investigate, to which extent former scientifically designed laboratory setups can now be merged into one single application oriented measuring system. All considerations are based on the thermoelastic excitation of ultrasound in combination with a likewise laser-based detection. By this, a self-contained measuring chain is built which combines the attributes non-destructive, non-contacting and application oriented within one ultrasonic measurement system for the first time. Thermal calculations lead to more precise equations which predict a laser-induced, local temperature rise of about 100 K. The examination of sound field simulations, as a prerequisite for the design of ultrasonic systems, identified an additional complex of problems. Although existing calculation approaches presuppose laser intensity profiles what can be described in analytical terms, real-world laser sources exhibit a complex shaped spatial distribution of laser energy. Based on a preceding CEFIT simulation, the developed CPSS method enables the calculation of the time resolved, 3D wave propagation of arbitrary shaped sources. A comparison to measured data successfully validated the results of simulation. By presenting selected scenario of measurements, the practical suitability of this non-contacting method is demonstrated. Using a transmission setup enables the characterization of open-pore ceramic coatings as well as the deduction of longitudinal and transversal speeds of sound. Equally, the imaging and estimation of the depth position of artificial defects with 0.7 mm in diameter is shown. Measurements based on a reflection setup provided evidence of a resolution limit of at least FBH = 1 mm in 4.5 mm depth. Additional examples demonstrate the ability to detect close-surface defects, the analysis of the challenging lamb waves zero-group-velocity S1 mode as well as the utilization of buried laser-acoustic sources. / Prüfsysteme, welche die Ausbreitungseigenschaften elastischer Wellen zur Ableitung spezifischer Messgrößen nutzen, sind etablierte Messverfahren. Voraussetzung für zuverlässige Ergebnisse ist stets die sichere akustische Kopplung zwischen Sensor und Material. Daher arbeiten hochauflösende Prüfsysteme mit Fluiden als Koppelmedium. Unter bestimmten Bedingungen scheiden kontaktierende Ultraschallsysteme allerdings ersatzlos aus. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Probe eine besonders niedrige oder hohe Temperatur besitzt, topografische Eigenschaften ein sicheres Ankoppeln der Kontaktprüfköpfe erschweren, Diffusionsvorgänge oder Löslichkeiten zu beachten sind, in Vakuum zu arbeiten ist oder erhöhte Reinheitsanforderungen vorliegen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Technik welche hilft, diese Einschränkungen zu umgehen. Mit dem Aufkommen der ersten Laserquellen entstanden die wissenschaftlichen Grundlagen zur kontaktlosen Anregung und Detektion von Ultraschall. Die rasante Entwicklung kommerziell verfügbarer Lasersysteme der vergangenen Dekade wurde zum Anlass genommen zu untersuchen, in wie weit sich die einst wissenschaftlich orientierte Laboraufbauten zu einem anwendungsnahen Messsystem zusammenführen lassen. Basis der Arbeiten ist die thermoelastische Anregung von Ultraschall in Kombination mit einer ebenfalls kontaktlosen Detektion. Damit entsteht eine geschlossene Messkette welche erstmals die Eigenschaften zerstörungsfrei, kontaktlos und anwendungsorientiert in einem Ultraschallmesssystem vereint. Ausgangspunkt stellt die thermische Simulation der Anregung dar. Mit Hilfe präzisierter Gleichungen wird eine lokale Erwärmung von lediglich 100 K vorausgesagt. Für die zur Auslegung eines akustischen Messsystems notwendige Schallfeldsimulation wurde eine weitere Problematik identifiziert. Während bekannte Rechenansätze stets analytisch beschreibbare Strahlprofile des Lasers voraussetzen, zeigen reale Laserquellen kompliziert gestaltete räumliche Intensitätsverteilungen. Auf Basis einer vorangestellten CEFIT-Simulation ist mit der entwickelten CPSS-Methode eine zeitdiskrete Berechnung der 3D-Wellenausbreitung beliebiger Quellgeometrien möglich. Vergleiche mit realen Messdaten bestätigen die Simulationsrechnungen. Anhand ausgewählter Messszenarien wird die Praxistauglichkeit der kontaktlosen Arbeitsweise demonstriert. Neben der Charakterisierung einer offenporigen keramischen Beschichtung erlauben Transmissionsmessungen die Berechnung der longitudinalen und transversalen Schallgeschwindigkeiten. Ebenso ist die Abbildung wie auch die Beurteilung der Tiefenlage von Referenzfehlern mit lediglich 0,7 mm Durchmesser möglich. In Reflexionsmessungen wurde eine Auflösungsgrenze von mindestens KSR = 1 mm in 4,5 mm Tiefe nachgewiesen. Weitere Beispiele zeigen die Sensitivität hinsichtlich oberflächennaher Fehler, die Auswertung der anspruchsvollen „Zero Group Velocity“ S1-Mode der Lambwelle wie auch die Nutzung eingebetteter Quellen.

Für die zukünftige Anwendung furnierbasierter Werkstoffe für konstruktive Bauteile im Maschinenbau sollte es möglich sein, deren Lagenaufbau im Sinne des Leichtbaus beanspruchungsgerecht zu gestalten. Für die Dimensionierung dieser Lagenhölzer werden die mechanischen Kennwerte der Furniereinzellagen benötigt. Aktuell besteht ein Defizit in der Verfügbarkeit der erforderlichen Kennwerte. Zusätzlich existieren keine Normen und einheitliche Standards zur Ermittlung dieser Kennwerte an Furnier. Demzufolge wurden in dieser Arbeit Prüfmethoden zur mechanischen Materialcharakterisierung von Furnier unter Zug-, Druck- und Schubbeanspruchung erarbeitet und exemplarisch Kennwertdatensätze für Rotbuchenschälfurnier in Abhängigkeit der Furnierdicke, der Klimatisierung sowie einer Klebstoffbeschichtung ermittelt. Hierbei zeigt sich, dass die Furnierdicke einen erheblichen Einfluss auf die Materialeigenschaften besitzt. Das ist auf die herstellungsbedingten Schälrisse im Furnier zurückzuführen, deren Risstiefe und Rissabstand mit der Furnierdicke ansteigt. Weiter ergaben die Untersuchungen, dass sich die mechanischen Kennwerte von nativem und klebstoffbeschichtetem Furnier deutlich unterscheiden. Auch hier ist eine Abhängigkeit der Eigenschaften von der Furnierdicke festzustellen, da das Eindringverhalten des Klebstoffes in das Furnier gleichfalls von der Furnierdicke abhängig ist. Mit steigender Furnierdicke wird der Furnierquerschnitt vom Klebstoff nicht vollständig durchtränkt und es verbleibt eine klebstofffreie Mittelschicht, deren Anteil mit der Furnierdicke zunimmt. Mit Hilfe der ermittelten Datensätze wurde im Weiteren die Fragestellung untersucht, welches Material für die Einzellage zur Berechnung der Verbundeigenschaften von Lagenholz mit Hilfe der Laminattheorie am besten geeignet ist. Als Materialien wurden natives Furnier, mit Klebstoff beschichtetes Furnier und Vollholz untersucht. Im Ergebnis konnte die beste Übereinstimmung mit experimentell, ermittelten Lagenholzkennwerten für klebstoffbeschichtetes Furnier erzielt werden. Für Lagenholz mit dickeren Furnierlagen können für die Berechnung der Verbundeigenschaften von Lagenholz auch Vollholzkennwerte herangezogen werden. / For future application of veneer-based materials for structural components in mechanical engineering, it should be possible to design the layer structure in terms of a lightweight construction. The mechanical properties of the veneer layers are required for calculating the properties of laminated wood materials such as plywood. Currently, there is a lack of knowledge of the required characteristic veneer values. In addition, there are no standards for determining these properties for veneer. In this work, test methods for the mechanical material characterization of veneer under tensile, compressive and shear stress were developed and exemplary data sets for rotary cut veneer of beech wood were determined as a function of veneer thickness, climatization and an adhesive coating. The veneer thickness has a significant influence on the material properties. This is due to the production-related peeling cracks in the veneer, whose crack depth and crack distance increase with the thickness. Furthermore, the investigations showed that the mechanical properties of native and adhesive-coated veneer differ significantly. Here, as well, a dependence of the properties on the veneer thickness can be observed. This is due to the penetration behavior of the adhesive into the veneer. With increasing veneer thickness, the veneer cross-section is not completely impregnated by the adhesive and an adhesive-free layer remains in the center, the size of which increases with the veneer thickness. In addition, it was investigated which single-layer material is most appropriate for calculating the properties of laminated wood materials using the laminate theory. Native veneer, adhesive coated veneer and solid wood were examined as single layer material. As a result, the best match with the experimentally determined plywood properties was obtained for adhesive-coated veneer. For laminated wood materials with thicker veneer layers, solid wood can also be used as single-layer material to calculate the composite properties.

Es wurde die Optimierungssoftware SPC-Opt entwickelt, mit welcher sich Aufgaben aus den Bereichen der Formoptimierung sowie der Material- und Formidentifikation bearbeiten lassen. Zur Lösung von Identifikationsproblemen steht eine robuste Implementierung des Levenberg-Marquardt-Fletcher-Verfahrens zur Verfügung. Ergänzt wird dieses durch Line-Search- und Trust-Region-Verfahren, welche sich besonders für Aufgaben der Formoptimierung eignen. Es wurden effiziente Algorithmen zur Approximation der Hesse-Matrix sowie verschiedene Verfahren zur Startparametervariation integriert. Das Programm verfügt über Schnittstellen zur Nutzung von ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, eigenen FEM-Programmen sowie LUA-Skripten. Für Formoptimierungen können geometrische Konturen durch NURBS approximiert und deren Kontrollpunkte als Formparameter genutzt werden. Die Aktualisierung der FEM-Netze entsprechend der Formparameteränderung erfolgt durch ein analytisches Verfahren. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit bezieht sich auf die Weiterentwicklung bestehender Verfahren zur Materialparameteridentifikation im Bereich der Gummiwerkstoffe. Hierbei wurde das Konzept der Anpassung anhand bauteilnaher Probekörper entwickelt. Dabei wurde am Beispiel einer Fahrwerksbuchse ein Probekörper entworfen, welcher dem originalen Bauteil zwar ähnlich sieht, jedoch eine deutlich einfachere Geometrie hat. Durch diesen konnte das Verhalten des Bauteils gut approximiert und sichergestellt werden, dass die im Rahmen der Parameteridentifikation durchgeführten FEM-Simulationen sicher konvergieren. Zudem wurden die Nutzerschnittstellen des inelastischen Morph-Stoffgesetz für MSC.MARC und ABAQUS weiterentwickelt, sodass diese nunmehr auch im industriellen Umfeld nutzbar sind. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Verwendung bauteilnah identifizierter Parameter zu einer erheblich besseren Abbildung des Materialverhaltens führt als die Verwendung anhand von Standardprobekörpern identifizierter Parameter. Weiterhin zeigte sich, dass vor allem der Einsatz eines Stoffgesetzes mit der Möglichkeit zur Abbildung des charakteristischen Verhaltens von Elastomeren unbedingt erforderlich ist. / Within the scope of this work the optimization software SPC-Opt has been developed to successfully process tasks in the fields of shape optimization and parameter identification. The software includes a robust Levenberg-Marquardt-Fletcher algorithm, several line search and trust region algorithms as well as efficient methods for the approximation of the Hessian matrix. Additionally, procedures for the variation of initial parameters (Design Of Experiments) were implemented. The software includes interfaces to ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, in-house FEM programs and LUA scripts. Within shape optimization problems, geometric shapes are approximated by NURBS and the related control points are employed as design variables. For the update of the FE mesh during the variation of the design variables, a special analytical algorithm is used to preserve the mesh topology. Another focus is related to the further development of existing material parameter identification procedures for rubber materials. Therefor, the concept of component-oriented specimens was developed. Using the example of a bushing, a specimen was designed, which is similar to the original component but has a much simpler geometry. According to this, the behavior of the original component is approximated and the stability of necessary FE simulations is ensured. Additionally, the utilized Model of Rubber Phenomenology (MORPH) is improved in view of the industrial use. It is shown that the identification of material parameters using component-oriented specimens leads to a much better approximation of the original component behaviour than using standard specimens. Additionally, it is shown that the use of a material law which can consider characteritic properties of elastomers, is absolutely necessary.

Despite increasing use, many 3d printing material properties are not openly available, which causes barriers to simulation and application. Four additively manufactured thermoplastic polyurethanes were characterised at low (0.006 1/s) to high (16 1/s) compressive and tensile strain rates, and during stress relaxation. Quasi-static Young’s moduli were determined to be 24 – 247 MPa, increasing by up to 183% at 16 1/s. / Trotz der zunehmenden Verwendung sind viele Materialeigenschaften für den 3D-Druck nicht offen zugänglich, was die Simulation und Anwendung erschwert. Vier additiv hergestellte thermoplastische Polyurethane wurden bei niedrigen (0,006 1/s) bis hohen (16 1/s) Druck- und Zugdehnungsraten sowie während der Spannungsrelaxation charakterisiert. Die quasistatischen Elastizitätsmodule wurden mit 24 - 247 MPa bestimmt, wobei sie bei 16 1/s um bis zu 183 % anstiegen.

Die additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren. Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“.