Das selektive Laserschmelzen (SLM) erlaubt komplexe Geometrien zu fertigen, die, z. B. in Form von integrierten Kühlkanälen, bei Werkzeugen von großer Bedeutung sind. Aktuell werden in der Industrie hauptsächlich Aluminium-, Stahl-, Titan-, Nickel- und Kobaltchromlegierungen mit SLM verarbeitet. Für die additive Fertigung sind Stähle interessant, die besondere Eigenschaften aufweisen. So wird für Konstruktionsbauteile größtenteils korrosionsbeständiger Stahl verwendet. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Herstellung von Werkzeugen. Die besonderen Ansprüche an die mechanischen Eigenschaften, die für Werkzeuge benötigt werden, erfüllen die Werkzeugstähle. Durch die Neigung zu Rissbildung und Verzug resultiert eine herausfordernde Verarbeitbarkeit im SLM-Prozess. Werkzeugstähle wurden bisher auf Grund dieser Herausforderungen selten mit SLM prozessiert. Es besteht daher ein großer Bedarf die Zusammenhänge zwischen dem Prozess, der Verarbeitbarkeit, dem entstehenden Gefüge und den resultierenden Eigenschaften aufzuklären. In dieser Arbeit werden die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften dreier hochfester Stahllegierungen, verarbeitet im SLM-Prozess, untersucht. Eine Legierungsentwicklung, speziell auf die Anforderungen des SLM-Prozesses zugeschnitten, ermöglicht, das volle Potenzial des SLM-Prozesses auszuschöpfen. Die Verarbeitbarkeit der neu entwickelten Legierung im SLM-Prozess konnte erfolgreich gegenüber den Ausgangslegierungen verbessert werden.

Die Produktion verschiedener Arten von Gütern ist im globalen Kontext gesellschaftlicher Entwicklung fortwährend an die Verfügbarkeit von Ressourcen gebunden und durch diese zunehmend begrenzt. In den bis heute entstandenen Wertschöpfungsketten basiert die verlustarme und effiziente Verteilung von Produkten, Zwischenprodukten, Halbzeugen sowie auch Rohstoffen auf den spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellten Funktionen ihrer Verpackungen. Als Bindeglied in nahezu allen Teilen der Produktion werden die Verpackung und ihre Herstellung innerhalb des mit Abstand größten Teils ihrer Anwendung, den Konsumgüterverpackungen als Beispiel für die Diskussion von Einsatzpotentialen naturfaserbasierter Materialien verwendet. Die Habilitationsschrift stellt die Ausgangssituation in der weltweiten Konsumgüterproduktion und Ressourcenverfügbarkeit dar und ordnet die Position naturfaserbasierter Packmittel in diese ein. Es werden Technologien zur Formgebung naturfaserbasierter Materialien zu Packmitteln zusammenfassend dargestellt. Die Ziehtechnik wird im Speziellen in Form eines Leitfadens in ihren Wirkmechanismen und Prozessvarianten sowie in Bezug auf ihre technische Umsetzung dargestellt. Es werden Beispiele konkreter Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.

Die Produktion verschiedener Arten von Gütern ist im globalen Kontext gesellschaftlicher Entwicklung fortwährend an die Verfügbarkeit von Ressourcen gebunden und durch diese zunehmend begrenzt. In den bis heute entstandenen Wertschöpfungsketten basiert die verlustarme und effiziente Verteilung von Produkten, Zwischenprodukten, Halbzeugen sowie auch Rohstoffen auf den spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellten Funktionen ihrer Verpackungen. Als Bindeglied in nahezu allen Teilen der Produktion werden die Verpackung und ihre Herstellung innerhalb des mit Abstand größten Teils ihrer Anwendung, den Konsumgüterverpackungen als Beispiel für die Diskussion von Einsatzpotentialen naturfaserbasierter Materialien verwendet. Die Habilitationsschrift stellt die Ausgangssituation in der weltweiten Konsumgüterproduktion und Ressourcenverfügbarkeit dar und ordnet die Position naturfaserbasierter Packmittel in diese ein. Es werden Technologien zur Formgebung naturfaserbasierter Materialien zu Packmitteln zusammenfassend dargestellt. Die Ziehtechnik wird im Speziellen in Form eines Leitfadens in ihren Wirkmechanismen und Prozessvarianten sowie in Bezug auf ihre technische Umsetzung dargestellt. Es werden Beispiele konkreter Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.

Das Laserstrahlhartlöten ermöglicht die Herstellung von Fügeverbindungen mit exzellenten Nahtqualitäten. Daher hat es sich bei anspruchsvollen Anwendungen, wie zweiteiligen Heckklappen und der Verbindung von Dach und Seitenwandrahmen (Dachnullfuge) etabliert. Um die hohen Qualitätsanforderungen durch das Laserstrahlhartlöten realisieren zu können, sind allerdings anspruchsvolle konstruktive Randbedingungen zu erfüllen, die über die Fertigungskette nicht immer vollständig sicherzustellen sind. Das Ergebnis solcher Fertigungs- und Materialschwankungen äußert sich dann oft als Nahtimperfektionen, die während des Laserlötprozesses entstehen. Diese verursachen vor allem mit steigenden Prozessgeschwindigkeiten einen erhöhten und kostenintensiven Nacharbeitsaufwand und sollten daher vermindert bzw. gänzlich vermieden werden. Das Ziel ist somit den Laserlötprozess so robust wie möglich auszulegen, um auf diese Fertigungsschwankungen ohne Einschränkungen in der Nahtqualität reagieren zu können. Im ersten Teil dieser Arbeit werden wesentliche Einflussfaktoren auf die Ausbildung der Nahtqualität am schrägen Bördelstoß untersucht und die systemtechnischen Grenzen mit einem statischen und runden Laserspot aufgezeigt. Weiterhin werden die resultierenden Nahtqualitäten durch das Laserstrahllöten mit gescanntem Laserstrahl in Vorschubrichtung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Nahtqualität mit diesem innovativen Ansatz bezüglich des Anbindungsquerschnittes und der Oberflächenqualität weiter steigern lassen. Dies lässt sich ebenfalls für höhere Prozessgeschwindigkeiten realisieren. Abschließend werden neuartige Möglichkeiten der Prozessüberwachung, sowie erste Ansätze zur Prozessregelung des Laserstrahlhartlötens am schrägen Bördelstoß vorgestellt. Die erzielten Resultate zeigen, dass sich der Laserstrahlhartlötprozess durch die Regelung der Laserleistung in Verbindung mit evaluierten Temperaturfeldern im Bereich der Prozesszone online kontrollieren und sich dadurch die Prozessstabilität merklich steigern lässt.

1. Beim feldaktivierten Sintern im Temperaturbereich von 500 bis 1000 °C fließen elektrische Ströme mit einer Dichte von 1 bis 3 A/mm². 2. Daraus folgt für die größten verwendeten Pulverteilchen mit einem Radius von 50 µm ein Strom je Teilchenkontakt von 10 bis 50 mA. 3. Die durch das Aufbringen des prozesstechnisch notwendigen Pressdruckes gebildeten relativen Kontaktradien (Kontaktradius geteilt durch Teilchenradius) haben eine Größe von 0,05 bis 0,3. 4. Die Einengung der Strompfade im Kontakt der Pulverteilchen erhöht, zusammen mit dem elektrischen Widerstand der Oxidschicht auf den Pulverteilchen, den elektrischen Widerstand des Pulverpresslings. 5. Der Stromfluss durch die Teilchenkontakte führt mit dem zusätzlichen elektrischen Widerstand dieser Teilchenkontakte zu einer lokalen Temperaturerhöhung (Übertemperatur) von 10-4 bis 1 Kelvin für Kupfer- respektive Stahlpulver. 6. Der zusätzliche elektrische Widerstand der Oxidschicht kann die Übertemperatur beim Kupferpulver auf bis zu 1 mK erhöhen. 7. Mit abnehmendem Teilchenradius sinkt die Übertemperatur quadratisch. 8. Das Wachstum der Teilchenkontakte im Verlauf der Verdichtung führt zu einer kontinuierlichen Verringerung der Übertemperatur. 9. Das Auftreten von schmelzflüssiger Phase, von Metalldampf oder von Plasma wird in den untersuchten metallischen Systemen ausgeschlossen. 10. Auch Elektromigration, Thermomigration oder andere Wirkungen des elektrischen Stromes spielen keine Rolle für die Verdichtung beim feldaktivierten Sintern. 11. Die Verwendung von gepulstem anstelle von kontinuierlichem Gleichstrom beeinflusst die Verdichtung der untersuchten Werkstoffe nicht. 12. Die Verdichtung vom Pulver zum kompakten Werkstoff findet für Pulverteilchen mit einem Radius größer als R = 10 µm über plastische Verformung durch verschiedene Formen des Kriechens statt. 13. Die Verformung ist im Anfangsstadium auf den Kontaktbereich begrenzt. 14. Bei Pulverteilen mit Teilchenradien unter R = 10 µm findet die Verdichtung zunächst als Folge von Leerstellenströmen in die Kontaktkorngrenze statt (Sintern). 15. Durch die schnelle Verdichtung bei niedriger homologer Temperatur werden Kornwachstum und Rekristallisation verringert.

Im Automobilbau kommt zunehmend das sog. Multimaterial-Design zum Einsatz, um kostenattraktiven Leichtbau in Großserienanwendungen umzusetzen und das Leichtbaupotential von strukturellen Bauteilen in bislang meist monolithischer Bauweise zu erweitern. Die Patch-technologie, bei der die Strukturertüchtigung durch die lokale und anforderungsgerechte Einbringung von endlosfaserverstärkten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) in dünnwandige metallische Bauteile erfolgt, ist eine zielführende Technologie, um einen hohen Leichtbaugrad zu generieren. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die dauerhafte, flächige Verbindung von Metall und thermoplastbasiertem FKV (TP-FKV) dar. Da die verwendeten Werkstoffe keine hinreichende chemische Kompatibilität aufweisen, wurden bislang Klebstoffe als Fügehilfsstoff genutzt, wodurch jedoch zusätzliche Prozessschritte notwendig wurden und damit verbunden häufig höhere Prozesszeiten auftraten. In dieser Arbeit werden Möglichkeiten zur Kompatibilisierung der beiden, das hybride Bauteil kennzeichnenden, Werkstoffkomponenten erarbeitet. Der Schwerpunkt wird dazu auf die Entwicklung und Charakterisierung einer inlinefähigen Vorbehandlungsmethode des metallischen Fügepartners in Kombination mit einer Modifikation des thermoplastischen FKV-Halbzeugs bzw. dessen Matrixsystems gelegt. Dabei werden die Einflüsse unterschiedlicher Vorbehandlungen und zugeordneter Vorbehandlungsparameter auf die physikalische und chemische Oberflächenbeschaffenheit des Metalls und das Haftniveau im TP-FKV/Metallverbund untersucht. Darüber hinaus werden mit Hilfe von Füllstoffen und Additiven verschiedene chemische Veränderungen des thermoplastischen Matrixsystems vorgenommen und deren Auswirkung auf die Adhäsion zwischen den Verbundpartnern charakteri-siert. Für die Anwendung des Verbundsystems TP-FKV/Metall in einem Automobil werden neben hohen mechanischen Eigenschaften (Verbundfestigkeit) insbesondere sehr gute Temperatur-, Klimawechsel- und Korrosionsbeständigkeiten gefordert, die in praxisnahen Untersuchungen nachgewiesen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse zur prozessintegrativen Anpassung der Komponenten des Werkstoffverbundes werden anschließend in die Praxis übertragen. Dafür wird ein seriennaher Fertigungsprozess entwickelt und prototypisch umgesetzt. Der Einfluss der grundlegenden Prozessparameter Druck, Temperatur und Zeit auf die Güte der Verbindung wird evaluiert. Einfache bauteilnahe Demonstratoren werden genutzt, um die Tauglichkeit der Verbundstrategie und des entwickelten Fertigungskonzeptes der TP-FKV-Patchtechnologie für deren wirtschaftliche Anwendung in der Großserienfertigung im Umfeld der Automobilindustrie nachzuweisen.

Im Kern der vorliegenden Arbeit wird eine neue Vorfahrtstrategie zur Steuerung von Materialflüssen an Zusammenführungen vorgestellt. Das Hauptanwendungsgebiet stellen innerbetriebliche Transportsysteme dar, wobei die Erkenntnisse auf beliebige Transport- bzw. Bediensysteme übertragbar sind. Die Arbeit grenzt sich mit der Annahme autokorrelierter Ankunftsprozesse von bisheriger Forschung und Entwicklung ab. Bis dato werden stets unkorrelierte Ströme angenommen bzw. findet keine spezielle Beachtung autokorrelierter Ströme bei der Vorfahrtsteuerung statt. Untersuchungen zeigen aber, dass zum einen mit hoher Konfidenz mit autokorrelierten Materialflüssen zu rechnen ist und in diesem Fall zum anderen von einem erheblichen Einfluss auf die Systemleistung ausgegangen werden muss. Zusammengefasst konnten im Rahmen der vorliegenden Arbeit 68 Realdatensätze verschiedener Unternehmen untersucht werden, mit dem Ergebnis, dass ca. 95% der Materialflüsse Autokorrelation aufweisen. Ferner wird hergeleitet, dass Autokorrelation intrinsisch in Materialflusssystemen entsteht. Die Folgen autokorrelierter Prozesse bestehen dabei in längeren Durchlaufzeiten, einem volatileren Systemverhalten und höheren Wahrscheinlichkeiten von Systemblockaden. Um die genannten Effekte an Zusammenführungen zu eliminieren, stellt die Arbeit eine neue Vorfahrtstrategie HAFI – Highest Autocorrelated First vor. Diese priorisiert die Ankunftsprozesse anhand deren Autokorrelation. Konkret wird die Vorfahrt zunächst so lange nach dem Prinzip First Come First Served gewährt, bis richtungsweise eine spezifische Warteschlangenlänge überschritten wird. Der jeweilige Wert ergibt sich aus der Höhe der Autokorrelation der Ankunftsprozesse. Vorfahrt bekommt der Strom mit der höchsten Überschreitung seines Grenzwertes. Die Arbeit stellt ferner eine Heuristik DyDeT zur automatischen Bestimmung und dynamischen Anpassung der Grenzwerte vor. Mit einer Simulationsstudie wird gezeigt, dass HAFI mit Anwendung von DyDeT die Vorzüge der etablierten Vorfahrtstrategien First Come First Served und Longest Queue First vereint. Dabei wird auch deutlich, dass die zwei letztgenannten Strategien den besonderen Herausforderungen autokorrelierter Ankunftsprozesse nicht gerecht werden. Bei einer Anwendung von HAFI zur Vorfahrtsteuerung können Durchlaufzeiten und Warteschlangenlängen auf dem Niveau von First Come First Served erreicht werden, wobei dieses ca. 10% unter dem von Longest Queue First liegt. Gleichzeitig ermöglicht HAFI, im Gegensatz zu First Come First Served, eine ähnlich gute Lastbalancierung wie Longest Queue First. Die Ergebnisse stellen sich robust gegenüber Änderungen der Auslastung sowie der Höhe der Autokorrelation dar. Gleichzeitig sind die Erkenntnisse unabhängig der Analyse einer isolierten Zusammenführung und der Anordnung mehrerer Zusammenführungen in einem Netzwerk. / The work at hand presents a novel strategy to control arrival processes at merges. The main fields of application are intralogistics transport systems. Nevertheless, the findings can be adapted to any queuing system. In contrast to further research and development the thesis assumes autocorrelated arrival processes. Up until now, arrivals are usually assumed to be uncorrelated and there are no special treatments for autocorrelated arrivals in the context of merge controlling. However, surveys show with high reliability the existence of autocorrelated arrivals, resulting in some major impacts on the systems\' performance. In detail, 68 real-world datasets of different companies have been tested in the scope of this work, and in 95% of the cases arrival processes significantly show autocorrelations. Furthermore, the research shows that autocorrelation comes from the system itself. As a direct consequence it was observed that there were longer cycle times, more volatile system behavior, and a higher likelihood of deadlocks. In order to eliminate these effects at merges, this thesis introduces a new priority rule called HAFI-Highest Autocorrelated First. It assesses the arrivals\' priority in accordance to their autocorrelation. More concretely, priority initially is given in accordance to the First Come First Served scheme as long as specific direction-wise queue lengths are not exceeded. The particular thresholds are determined by the arrival processes\' autocorrelation, wherein the process with the highest volume gets priority. Furthermore, the thesis introduces a heuristic to automatically and dynamically determine the specific thresholds of HAFI-so called DyDeT. With a simulation study it can be shown that HAFI in connection with DyDeT, combines the advantages of the well-established priority rules First Come First Served and Longest Queue First. It also becomes obvious that the latter ones are not able to deal with the challenges of autocorrelated arrival processes. By applying HAFI cycling times and mean queue lengths on the level of First Come First Served can be achieved. These are about 10% lower than for Longest Queue First. Concomitantly and in contrast to First Come First Served, HAFI also shows well balanced queues like Longest Queue First. The results are robust against different levels of throughput and autocorrelation, respectively. Furthermore, the findings are independent from analyzing a single instance of a merge or several merges in a network.

The development of materials with tailored functionalities and with continuously shrinking linear dimensions towards (and below) the nanoscale is not only going to revolutionize state of the art fabrication technologies, but also the computational methodologies used to model the materials properties. Specifically, atomistic methodologies are becoming increasingly relevant in the field of materials science as a fundamental tool in gaining understanding on as well as for pre-designing (in silico material design) the behavior of nanoscale materials in response to external stimuli. The major long-term goal of atomistic modelling is to obtain structure-function relationships at the nanoscale, i.e. to correlate a definite response of a given physical system with its specific atomic conformation and ultimately, with its chemical composition and electronic structure. This has clearly its pendant in the development of bottom-up fabrication technologies, which also require a detailed control and fine tuning of physical and chemical properties at sub-nanometer and nanometer length scales. The current work provides an overview of different applications of atomistic approaches to the study of nanoscale materials. We illustrate how the use of first-principle based electronic structure methodologies, quantum mechanical based molecular dynamics, and appropriate methods to model the electrical and thermal response of nanoscale materials, provides a solid starting point to shed light on the way such systems can be manipulated to control their electrical, mechanical, or thermal behavior. Thus, some typical topics addressed here include the interplay between mechanical and electronic degrees of freedom in carbon based nanoscale materials with potential relevance for designing nanoscale switches, thermoelectric properties at the single-molecule level and their control via specific chemical functionalization, and electrical and spin-dependent properties in biomaterials. We will further show how phenomenological models can be efficiently applied to get a first insight in the behavior of complex nanoscale systems, for which first principle electronic structure calculations become computationally expensive. This will become especially clear in the case of biomolecular systems and organic semiconductors.

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.

Die für technische Anwendungen attraktivsten Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter beruhen auf der Wechselwirkung der Materialien mit einem externen Magnetfeld. Für hochleistungsfähige Supraleiteranwendungen werden großvolumige Funktionselemente mit eindomänigem Magnetisierungsverhalten benötigt. Zur Vergrößerung der magnetischen Domäne schmelztexturierter YBa2Cu3O7-δ-Kompaktsupraleiter wurde anhand der Multi-Seeding-Technik, die Rekristallisation unter Verwendung mehrerer SmBa2Cu3O7-δ-Keimpräparate untersucht. Als Schlüsseltechnologie zur Herstellung anwendungsorientierter Supraleitererzeugnisse wurde zu Beginn der Arbeit die Keimkristallherstellung optimiert. Gemäß den Zielvorgaben stehen zukünftig quasi-einkristalline Keimkörper definierter Form und Orientierung in hoher Stückzahl zur Verfügung. Die Supraleiter betreffend ist es gelungen, für den wechselseitigen Abstand und die Ausrichtung der Keimpräparate ein Optimum zu finden sowie tolerierbare Winkel der Verschwenkung angrenzender Kristalle zu ermitteln. Es wurde festgestellt, dass das Auftreten isolierender Korngrenzeneinschlüsse mit den magnetischen Materialeigenschaften korreliert und vom Keimabstand und der Korngrenzenorientierung abhängig ist. Mit Einsatz von bis zu 16 Keimkristallen gelang es, eindomänige Supraleiterhalbzeuge mit Höchstmaßen von (79 x 39 x 20) mm3 und Remanenzflussdichten von bis zu 1,3 T zu erzeugen. Im Chargenprozess konnten abschließend Multi-Seeding-Funktionselemente mit anwendungskonformen geometrischen und magnetischen Materialeigenschaften zum Aufbau eines hochdynamischen Supraleitermotors reproduzierbar gefertigt werden. In Leistungstests wurde für die Dynamik des Motors mit 200.000 rpm/s ein Rekordwert erzielt – nun können die Motoren in der Anwendung erprobt werden.