Zugl.: Bochum, Univ., Diss., 2009

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

Etwa 27000 Flugzeuge durchqueren täglich den Luftraum über Europa. Dieser weiter steigende Flugverkehr erfordert neue Richtlinien für die Luftfahrzeuge. Im Besonderen stehen CO2- und NOX-Emission, Kerosinverbrauch und Lärmbelastung unter Optimierungsbedarf. Diese Anforderungen wurden bis 2050 vom Advisory Council for Aerospace Research in Europe (kurz: ACARE) festgelegt und werden wissenschaftlich unterstützt [3, 4]. Um diese Ziele zu erreichen, gibt es verschiedene Forschungsprogramme, Clean Sky ist ein EU-Technologieprogramm davon. In diesem Projekt werden sechs Demonstrator-Programme entwickelt, von denen MTU Aero Engines eines gestaltet. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Weiterentwicklung des Getriebefan (Geared Turbofan-GTF) erreicht, bei dem Fan und Niederdruckturbine durch ein Getriebe voneinander entkoppelt sind. Durch die optimierte Drehzahl beider Komponenten (vergrößerter Fan - langsamer, Niederdruckturbine (LPT) - schneller) wird die Turbinenleistung gesteigert und gleichzeitig die Geräuschemission minimiert. Entwickelt wurde der GTF von Pratt & Whitney in Kooperation mit MTU Aero Engines. Herkömmliche Varianten sehen vor, dass die Niederdruckturbine u.a. den Fan antreibt und zwar nur so schnell, dass der äußere Radius des Fans die zulässige Geschwindigkeit nicht überschreitet. Die herkömmlich verwendeten Nickelbasislegierungen in der Niederdruckturbine haben mit 8 g/cm3 eine zu hohe Dichte um einige Anforderungen im ACARE wirtschaftlich erfüllen zu können. Bereits 1967 hat die US Airforce das große Potential zur Gewichtsreduzierung durch Titanaluminid-Legierungen (TiAl-Legierungen) mit einer Dichte von rund 4 g/cm3 im Hochtemperaturbereich der Flugzeugtriebwerke erkannt. Zwischen 1980 und 1990 entwickelte das General Electric-Forschungscenter die gamma-TiAl-Legierung Ti-48Al-2Cr-2Nb, welche als erste kommerzielle Titanaluminidlegierung in der Niederdruckturbine von Flugzeugtriebwerken eingesetzt wurde. Eine weitere Legierung dieser Werkstoffgruppe kam erst ca. 15 Jahre später zum Einsatz, die TNM-Legierung. Wie man an diesem Beispiel sehen kann, dauert die Integration neuer Werkstoffe in der Luftfahrt aufgrund der notwendigen Vorversuche und Sicherheitsaspekte teilweise 20 Jahre. Seit September 2014 kommt im Triebwerk PW1100G GTF von Pratt & Whitney die geschmiedete Version der TNM-Legierung zum Einsatz. MTU Aero Engines AG München baut hierfür die Niederdruckturbine. Durch die hervorragenden Hochtemperatureigenschaften der gamma-TiAl-Legierungen wie z.B. thermische Stabilität der Mikrostruktur, Resistenz gegen Titanfeuer und hohe spezifische Fes-tigkeit, konnten sich die Titanaluminide in Konkurrenz zu den Nickelbasislegierungen sehr gut platzieren. Deswegen werden die beiden gamma-TiAl-Legierungen (Ti-48Al-2Cr-2Nb, TNMTM) bereits in den letzten Stufen der Niederdruckturbine eingesetzt. Ein Nachteil der gamma-Titanaluminide ist die begrenzte Oxidationsbeständigkeit über 750 °C, wodurch das Einsatzfeld als Hochtemperaturwerkstoff stark begrenzt wird. Um das Anwen-dungspotential der gamma-Titanaluminide weiter zu steigern und auch bei Temperaturen über 750 °C einzusetzen, ist eine Steigerung der Oxidationsbeständigkeit notwendig. Die Oxidationsbeständigkeit kann durch das Aufbringen von Oxidationsschutzschichten wie z.B. Al2O3 erreicht werden. Welche neben der Korrosionsbeständigkeit auch die thermisch-mechanischen Anforderungen des Substrat-Schicht-Verbundes sicherstellen müssen. Zur Erhöhung der Temperaturbelastbarkeit von gamma-TiAl-Schaufeln können zur thermischen Isolation keramische Wärmedämmschichten (WDS) aufgebracht werden. Aufgrund der WDS können höhere Prozesstemperaturen realisiert und die Lebensdauer des Grundwerkstoffs verlängert werden. Die Lebensdauer der Wärmedämmschichten und das Betriebsverhalten werden unter anderem durch eine gute Haftung auf dem Untergrund, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen thermisch stabilen Phasenaufbau bestimmt. Die Kombination aus Oxidationsschutz und Wärmedämmung wird bereits für Nickelbasislegierungen in der Brennkammer und Hochdruckturbine der Flugzeugtriebwerke eingesetzt. Um gamma-Titanaluminide in weitere Stufen der Niederdruckturbine oder Hochdruckturbine einzubringen, müssen diese Temperaturen von mindestens 900 °C aushalten und erfordern ebenso Beschichtungen zum Oxidations- und Wärmeschutz. Diese Schutzschichten finden für gamma-Titanaluminide bisher jedoch noch keine Anwendung.

Introduction: Acellular scaffolds are increasingly used for the surgical repair of tendon injury and ligament tears. Despite this increased use, very little data exist directly comparing acellular scaffolds and their native counterparts. Such a comparison would help establish the effectiveness of the acellularization procedure of human tissues. Furthermore, such a comparison would help estimate the influence of cells in ligament and tendon stability and give insight into the effects of acellularization on collagen. Material and Methods: Eighteen human iliotibial tract samples were obtained from nine body donors. Nine samples were acellularized with sodium dodecyl sulphate (SDS), while nine counterparts from the same donors remained in the native condition. The ends of all samples were plastinated to minimize material slippage. Their water content was adjusted to 69%, using the osmotic stress technique to exclude water content-related alterations of the mechanical properties. Uniaxial tensile testing was performed to obtain the elastic modulus, ultimate stress and maximum strain. The effectiveness of the acellularization procedure was histologically verified by means of a DNA assay. Results: The histology samples showed a complete removal of the cells, an extensive, yet incomplete removal of the DNA content and alterations to the extracellular collagen. Tensile properties of the tract samples such as elastic modulus and ultimate stress were unaffected by acellularization with the exception of maximum strain. Discussion: The data indicate that cells influence the mechanical properties of ligaments and tendons in vitro to a negligible extent. Moreover, acellularization with SDS alters material properties to a minor extent, indicating that this method provides a biomechanical match in ligament and tendon reconstruction. However, the given protocol insufficiently removes DNA. This may increase the potential for transplant rejection when acellular tract scaffolds are used in soft tissue repair. Further research will help optimize the SDS-protocol for clinical application.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von dünnen Schichten im ternären System B-C-N. In diesem System sind einerseits die härtesten heute bekannten Materialien (Diamant, c-BN) enthalten, aber andererseits auch Stoffe mit unterschiedlichsten elektrischen Eigenschaften (Graphit, h-BN). Es besteht daher das Bestreben, verschiedene bekannte Materialien zu kombinieren und so deren Eigenschaften in gewünschter Weise einzustellen. Allerdings wird sowohl experimentell als auch theoretisch des öfteren eine Separation in BN- und C/CNx-Phasen beobachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Schichten über einen weiten Stöchiometriebereich mittels reaktiver DC-Magnetronzerstäubung hergestellt und untersucht. Schwerpunkt wurde dabei auf die Analyse der Struktur und des Bindungszustandes sowie die mechanischen Eigenschaften Härte und Elastizitätsmodul gelegt. Es wird diskutiert, in welchen Elementezusammensetzungen wirkliche ternäre Verbindungen entstanden sind und ein Zusammenhang zwischen Struktur und mechanischen Eigenschaften in Form einer empirischen Formel abgeleitet.

In this work the possibility for using natural fiber-reinforced thermoplastics in highly loaded large surface structural elements is demonstrated. A production process to fabricate an inexpensive semi-finished material made of polypropylene and unidirectionally orientated natural fibers was developed. The feasibility of the process was proven for different fiber contents. In further examinations optimal parameters for processing the semi-finished material to produce composites by press forming were examined. With these optimal parameters composites have been fabricated that were tested for their static and dynamic properties. On the basis of the characteristic values of these examinations the field of application for natural fiber reinforced thermoplastics in use of large surface structural elements could be shown. As an example for such an element a rotor blade of a wind turbine with a length of 3,75 m was created. For a prediction of the behaviour of the loaded rotor blade the following load cases were simulated by means of the FEM: - 50-year gust, with a wind velocity of 50 m/s and standing rotor - Nominal load, with a wind velocity of 11 m/s and turning rotor. For an evaluation of the composite behaviour the Tsai Wu criterion was used, because of its capability to determine the failure condition under multi-axle stress. With these simulations it could be shown that it is theoretically possible to use natural fiber-reinforced thermoplastics as material for large surface structural elements. / In der vorliegenden Arbeit wurde eine Möglichkeit für die Verwendung von naturfaserverstärkten Thermoplasten in hochbelasteten großflächigen Strukturbauteilen aufgezeigt. Es wurde ein Verfahren entwickelt, welches die preiswerte Herstellung eines Halbzeuges aus Polypropylen und unidirektional ausgerichteten Naturfasern ermöglicht. Die Realisierbarkeit dieses Verfahrens konnte für verschiedene Naturfasergehalte nachgewiesen werden. In weiteren Untersuchungen wurden die optimalen Verarbeitungsparameter für die Herstellung von Faserverbunden aus diesem Halbzeug mittels der Presstechnik ermittelt. Mit diesen optimalen Parametern wurden Verbunde hergestellt und auf ihre statischen und dynamischen Eigenschaften geprüft. Auf Grundlage der in diesen Prüfungen ermittelten Kennwerte konnte die Einsatzmöglichkeit dieser naturfaserverstärkten Thermoplaste für ein großflächiges Strukturbauteil gezeigt werden. Als Beispiel für ein solches Bauteil wurde ein 3,75 m langes Rotorblatt einer Windkraftanlage entworfen. Um eine Aussage über das Verhalten des Rotorblattes unter Belastung treffen zu können, wurden folgende Lastfälle mit Hilfe der FEM simuliert: - 50-Jahres-Böe, mit Windgeschwindigkeit von 50 m/s und stehendem Rotor - Nennlast, mit Windgeschwindigkeit von 11 m/s und drehendem Rotor Für die Bewertung des Verbundverhaltens wurde das Tsai-Wu-Ausfallkriterium herangezogen, da es eine Aussage über das Bruchverhalten von Faserverbunden unter mehrachsiger Belastung erlaubt. Die Auswertung dieser Simulationen ergab, dass es theoretisch möglich ist, naturfaserverstärkte Thermoplaste als Werkstoff in großflächigen Strukturbauteilen einzusetzen.

Die vorliegende Arbeit gründet auf einer neuartigen analytischen Theorie zum HERTZschen Kontakt am geschichtet aufgebauten Halbraum von N. SCHWARZER (1998). Der Kugeleindruckversuch in Schichtsysteme kann damit im linear-elastischen Bereich exakt beschrieben werden, was bereits erfolgreich zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls von ultradünnen Schichten ausgenutzt wurde. Mit der Theorie kann aber auch das Spannungsfeld im Grenzfall elastischer Deformation, zu Beginn des Materialversagens analysiert werden. Über die Kenntnis kritischer Spannungswerte ließen sich damit Versagensmechanismen identifizieren. So konnte kürzlich für Schichten im System Si3N4/SiO2 gezeigt werden, dass die VON MISES-Vergleichsspannung im Versagensfall kritische Werte annimmt. Dies ist wiederum typisch für das plastische Versagen, womit erstmals die Fließpannung von Dünnschichten bestimmt wurde. Im Rahmen dieser Arbeit sollte dieses Ergebnis an magnetronsputterten Schichten vom B4C-Target bestätigt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften über die Gaszusammensetzung N2/Ar variiert wurden. Die Nanoindentermessungen mit dem UMIS 2000 erfolgten an Einzelschichten auf Silizium und Quarzglas sowie an einem speziellen Dreischichtsystem. Die Analyse zeigt, dass die plastische Deformation nicht in allen Fällen zum Versagen führte und bei geeignetem Schichtaufbau einstellbar ist. Ferner zeigt die rasterkraft- und rasterelektronenmikroskopische Schadensbildanalyse, dass das Versagen unter bestimmten Bedingungen wahrscheinlich durch star cracks verursacht wurde. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einer anderen Problematik. Ausgangspunkt dafür bildet eine Weiterentwicklung der theoretischen Methode durch SCHWARZER (2001), mit der die Anwendung der elastischen Kugeleindruckmethode an begrenzten oder real geformten Festkörperoberflächen denkbar ist. Konzeptionell wird dabei die existierende Lösung für den geschichteten Halbraum auf geeignete krummlinige Koordinaten transformiert. Zur Überprüfung des Beschreibungskonzepts wurde die Lösung für das spezielle Kontaktproblem am Viertel- und Achtelraum entwickelt. Dabei war allerdings bereits wieder eine Annahme nötig, deren Überprüfung Gegenstand dieser Arbeit ist. Hierzu wurden zwei unabhängige Indenterexperimente in der Nähe von Kanten vorgenommen, die zunächst widersprüchliche Ergebnisse lieferten. Weiterführende Untersuchungen zeigen aber einerseits, dass die Empfindlichkeit einer der beiden Messmethoden nicht ausreichend ist. Andererseits liefern die Zusatzuntersuchungen Vorschläge zu Verbesserung der weiterentwickelten Theorie.

Einen Überblick erlaubt das Inhaltsverzeichnis. Das Buch enthält ergänzende handschriftliche Bemerkungen von Herrn Professor Dresig.:* Vorwort, Inhaltsverzeichnis, Einleitung * Kapitel 1 Kinematik zwangläufiger Mechanismen * Kapitel 2 Kinetik zwangläufiger Mechanismen * Kapitel 3 Dynamischer Ausgleich * Kapitel 4.1-2 Schwingungsmodelle mit einem Freiheitsgrad * Kapitel 4.3 Lösung der Bewegungsgleichung bei konstanten Koeffizienten * Kapitel 4.4 Lösung der Bewegungsgleichung bei veränderlichen Koeffizienten * Kapitel 4.5-6 Bedingungen der kinetischen Stabilität bei Parametererregung * Kapitel 5.1-2 Schwingungsmodelle mit mehreren Freiheitsgraden * Kapitel 5.3 Lösung linearisierter Gleichungen * Kapitel 5.4 Antriebe mit verzweigter Struktur * Kapitel 5.5 Nichtlineare Schwingungen von Mechanismen * Literaturverzeichnis, Kurzzeichen, Sachverzeichnis

The interplay between biochemical signals and mechanical processes during animal development is key for the formation of tissues and organs with distinct shapes and functions. An important step during the formation of many tissues is the formation of compartment boundaries which separate cells of different fates and functions. Compartment boundaries are lineage restrictions that are characterized by a straight morphology. Biochemical signaling across compartment boundaries induce the expression of morphogens in the cells along the boundaries. These morphogens then act at long-range to direct growth and patterning of the whole tissue. Compartment boundaries stabilize the position of morphogens and thereby contribute to proper tissue development. The straight morphology of compartment boundaries is challenged by cell rearrangements caused by cell division and tissue reshaping. Physical mechanisms are therefore required to maintain the straight morphology of compartment boundaries. The anteroposterior (A/P) compartment boundary in the developing Drosophila melanogaster wing is established by biochemical signals. Furthermore, mechanical processes are required to maintain the straight shape of the A/P boundary. Recent studies show that mechanical tension mediated by actomyosin motor proteins is increased along the A/P boundary. However, it was not understood how biochemical signals interact with mechanical processes to maintain the A/P boundary. Here I provide the first evidence that Hedgehog signaling regulates mechanical tension along the A/P boundary. I was able to show that differences in Hedgehog (Hh) signal transduction activity between the anterior and posterior compartments are necessary and sufficient to maintain the straight shape of the A/P boundary, which is crucial for patterning and growth of the adult wing. Moreover, differences in Hh signal transduction activity are necessary and sufficient for the increase in mechanical tension along the A/P boundary. In addition, differences in Hh signal transduction activity are sufficient to generate smooth borders and to increase mechanical tension along ectopic interfaces. Furthermore, the differential expression of the transmembrane protein Capricious is sufficient to increase mechanical tension along ectopic interfaces. It was previously suggested that mechanical tension is generated by an actomyosin-cable through which the increase in mechanical tension is transmitted between the junctions along the A/P boundary. Here I show that mechanical tension is generated locally at each cell bond and not transmitted between junctions by an actomyosin cable. My results provide new insights for our understanding of the interplay between biochemical signals and mechanical processes during animal development.