Konsequent betriebener Leichtbau führte und führt weiterhin zu steigender Komplexität in der Blechumformung. Erkenntnisse aus Forschungsaktivitäten zur gezielten Beeinflussung, Regelung und Vollautomatisierung des Tiefziehprozesses konnten jedoch bisher nicht in Großserienpresswerke transferiert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Werkzeugkonzept vorgestellt, welches unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen eine gezielte lokale Beeinflussung des Umformprozesses ermöglicht. Gleichzeitig gestattet es, mit Hilfe eines neuartigen, optischen Sensorkonzeptes die Geschwindigkeit sowie den Einlaufweg der Platine zu überwachen. Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Herstellung von Umformwerkzeugen, auf der neuen Konzeption basierend, beschrieben. Umformsimulationen dienen dabei zur Identifikation von kritischen Bauteilen und deren neuralgischen Zonen. Eine entsprechend angepasste Konstruktion bietet Bauraum für die Implementierung von zusätzlichen Aktuatoren und einem definiert elastischen Einsatz. Abschließende FEM-Analysen mit Volumenmodellen sowie die Kalkulation der Lebensdauer bestätigen eine ausreichende Flexibilität und die erforderliche Dauerfestigkeit. Im Rahmen der experimentellen Analyse konnte eine drastische Verkürzung der Anlaufzeit durch deutlich reduzierten Tuschieraufwand aufgrund der Anpassungsfähigkeit sowie Flexibilität des definiert elastischen Werkzeugkonzeptes nachgewiesen werden. Neben diesem Potential hinsichtlich strukturierter Inbetriebnahmen ermöglicht die Konzeption eine Kompensation von Pressenunterschieden und individuellen Maschinencharakteristika (wie bspw. Stößelverkippungen) wodurch der Transfer von der Einarbeitspresse auf die Produktionsanlage wesentlich weniger Korrekturschleifen hervorruft. Außerdem werden der Qualitätsaufwand (Nachtuschieren) während der laufenden Serienproduktion, Stillstandszeiten und Ausschussquoten stark verringert. Darüber hinaus ergeben sich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bei der Umformung von tailored blanks und aus der Minimierung/Optimierung des Platinenzuschnittes enorme Einsparungs- und Kostenpotentiale. Abschließend werden die Vorteile eines geschlossenen Prozessregelkreises durch die Verknüpfung von Sensorik und Aktorik analysiert. Dabei bestätigt das vorgeschlagene Regelkonzept einer Prozessnachführung die Erhöhung der Prozessstabilität bei schwankenden Prozessparametern durch die gezielte, lokale Verteilung der Flächenpressung. Zuletzt diskutiert der vorliegende Beitrag Transfermöglichkeiten der Verbesserungspotentiale in kommende Serienwerkzeuge vor dem Hintergrund von Kostenrestriktionen und Minimierung des bedientechnischen sowie konstruktiven Aufwandes.

Diese Arbeit präsentiert eine einfache eine einfache, auf Photolithographie basierende Methode zur Darstellung einer isolierten Graphenkante (oder GrEdge) einer Monolage als Nanoelektrode auf einem isolierenden Substrat vorgestellt. Trotz ihrer Millimeter-Länge verhält sich die nur einen Nanometer breite GrEdge-Elektrode wie ein Nanodraht mit einem hohen Seitenverhältnis von 1000000 zu 1. Des Weiteren wird der Einsatz von elektrochemischer Modifikation (ECM) demonstriert, um die GrEdge selektiv mit Metall-Nanopartikeln und organischen Schichten nicht-kovalente oder kovalente zu funktionalisieren, wodurch die Chemie der Kante verändert werden kann. Durch die Anbringung von Metall-Nanopartikeln kann zusätzlich oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) genutzt werden, um die chemische Beschaffenheit sowohl der unberührten als auch der funktionalisierten GrEdge zu charakterisieren. Die GrEdge weist sehr hohe Mass-entransportraten auf, was charakteristisch für Nanoelektroden ist. Dementsprechend wird die voltammetrische Antwort von der Kinetik des heterogenen Elektrontransfers (HET) diktiert. An der GrEdge-Elektrode werden hohe HET-Raten beobachtet: mindestens 14 cm/s für Außensphäre sonde Ferrocenmethanol (FcMeOH) mit einem quasi-Nernst'schen Verhalten und 0,06 cm/s oder höher für innere Sphäre sonde Ferricyanide ([Fe(CN)6]3-) mit einer kinetisch kontrollierten Reaktion. Nach der selektiven Modifikation der Kante mit Goldnanopartikeln erweist sich der HET als reversibel, mit einer massentransportbegrenztes Nernst‘sches Verhalten aufweisen für beide Redoxmoleküle. Darüber hinaus ermöglicht die schnelle HET-Kinetik die Detektion der reduzierten Form von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) und Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) mit niedrigen Ansatzpotentialen und hinunter bis zu niedrigen mikromolaren Konzentrationen. Entsprechend verbessert die vorliegende Arbeit das Verständnis der Kante von Graphen und deren Chemie. / This thesis presents a simple photolithography-based method to realize the isolated monolayer graphene edge (or GrEdge) nanoelectrode on an insulating substrate. The millimeter-long and a nanometer-wide GrEdge is found to behave like a nanowire with a high aspect ratio of 1000000-to-1. Further, the use of electrochemical modification (ECM) is demonstrated to selectively functionalize the GrEdge with metal nanoparticles and organic moieties in a non-covalent/ covalent manner to tune the chemistry of the edge. The attachment of metal nanoparticles was used to exploit surface-enhanced Raman scattering (SERS) to characterize the chemistry of both the pristine and the functionalized GrEdge. The GrEdge electrodes were found to exhibit very high mass transport rates, characteristic of nanoelectrodes. Accordingly, the voltammetric response is found to be dictated by the kinetics of heterogeneous electron transfer (HET), attributed to the nanoscale geometry and a unique diffusional profile at such electrodes. At the GrEdge electrode, high HET rates are observed: at least 14 cm/s for outer-sphere probe, ferrocenemethanol (FcMeOH) with a quasi-Nernstian behavior; and 0.06 cm/s or higher for inner-sphere probe, ferricyanide ([Fe(CN)6]3-) with a kinetically controlled response. Upon selective modification of the edge with gold nanoparticles, the HET is found to be reversible, with a mass-transport-limited Nernstian response for both probes. Furthermore, the fast HET kinetics enables the sensing of the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and flavin adenine dinucleotide (FAD) with low onset potentials and down to low micromolar concentrations. Hence, this thesis improves the understanding of the edges of graphene and their chemistry. It also realizes isolated GrEdge as a new class of nanoelectrode which forms an important basis within the fields of fundamental electrochemistry and analytical sciences.

Die Verbindung von hoch entwickelten Nanomaterialien mit fluoreszenzbasierten Technologien hat sich zu einem aufstrebenden Forschungsbereich entwickelt. Nichtsdestotrotz ist bis heute der Schritt von einem organischen Indikatormolekül zum anwendbaren Sensorsystem ein komplexer Prozess. Diese Arbeit zielte darauf ab, sensorische Materialien verschiedener chemischer Natur für diverse Analyten zu entwickeln, zu charakterisieren und zu etablieren. Hierbei wurden zunächst pH sensitive Fluoreszenzfarbstoffe entwickelt und in dünnen Membranen immobilisiert. Der Teststreifen ermöglicht die Beurteilung von pH-Änderungen mit dem Auge. Darüber hinaus wurde gezeigt, wie diese Farbstoffe auch in eine wasserlösliche Form überführt werden können. Damit konnten lokale pH-Änderungen an der Wachstumsfront von Silikat-Biomorphs detektiert werden. Auch partikuläre Systeme stellten sich als geeignete Materialien heraus. Es konnte gezeigt werden, wie die Silikat-Matrix von Partikeln zu verbesserten Eigenschaften für Farbstoffe führt. Mittels farbstoffbeladener Partikel konnte in einem Lateral-Flow-Assay ein schneller Nachweis von TATP etabliert werden. Ein anderer Ansatz verfolgte das Ziel des sensitiven Nachweises von Quecksilberionen in Wasser. In einem anderen System konnten Silikat-Nanopartikeln so funktionalisiert werden, dass ein sensitiver und selektiver Nachweis von Schwermetallionen und Anionen über ein Quencher-Displacement-Assay gelang. Zusätzlich wurde die einzigartige Oberfläche von Zellulosepartikeln mithilfe eines neu entwickelten Fluoreszenzfarbstoffs untersucht. Die untersuchten Materialien und Strategien zeigen, wie leicht innovative Moleküle für potentielle sensorische Systeme im wässrigen Medium auf Basis von fluoreszierenden Partikeln und dünnen Schichten geschaffen werden können. Das Verhalten der hergestellten Materialien wurde über spektroskopische Methoden evaluiert und dabei, wenn möglich, die Parameter Sensitivität, Selektivität und Ansprechzeit beurteilt. / The combination of fluorescence and nanomaterials has developed into an emerging research area. Nonetheless until now the step from an organic sensory molecule to a final sensor format is a complex endeavor. This thesis aimed at the preparation of particulate and thin-film based platforms for various analytes through combining the features of an appropriate host material with outstanding properties of dyes concomitant with sensitive fluorescence detection techniques. In particular, pH sensitive fluorescent probes were sterically immobilized into a thin membrane. The dip-stick allows the assessment upon change in pH with the eye. Especially a probe working at high basic pH range was converted into a water-soluble analogue and was directly applied at the growth front of silica biomorphs to detect local pH changes. But also particulate structures are suitable host materials. It is shown how the silica matrix of nanoparticles lead to improved optical properties for embedded dyes. The interactions of silica and fluorescent dyes within the pores of mesoporous particles were exploited to develop an actual sensor format based detection of TATP. In another approach it was possible to detect mercury ions in water. Heavy metal ions were also successfully detected in a quencher displacement assay involving receptor-dye functionalized silica nanoparticles. The impact of the unique surface properties of cellulose microparticles was shown by a fluorescent dye which allows an assessment of the surface functional groups and microenvironment through the reactivity and its changes in the optical properties. The performance of the prepared materials were evaluated mostly by spectroscopic methods and if possible assessed in terms of sensitivity, selectivity and response time. The newly developed and investigated materials based on fluorescent particulate and thin-films show the facile application of innovative sensor probes for potentially sensing devices.

In this work, stretchable magnetic sensorics is successfully established by combining metallic thin films revealing a giant magnetoresistance effect with elastomeric materials. Stretchability of the magnetic nanomembranes is achieved by specific morphologic features (e.g. wrinkles), which accommodate the applied tensile deformation while maintaining the electrical and magnetic integrity of the sensor device. The entire development, from the demonstration of the world-wide first elastically stretchable magnetic sensor to the realization of a technology platform for robust, ready-to-use elastic magnetoelectronics with fully strain invariant properties, is described. The prepared soft giant magnetoresistive devices exhibit the same sensing performance as on conventional rigid supports, but can be stretched uniaxially or biaxially reaching strains of up to 270% and endure over 1,000 stretching cycles without fatigue. The comprehensive magnetoelectrical characterization upon tensile deformation is correlated with in-depth structural investigations of the sensor morphology transitions during stretching. With their unique mechanical properties, the elastic magnetoresistive sensor elements readily conform to ubiquitous objects of arbitrary shapes including the human skin. This feature leads electronic skin systems beyond imitating the characteristics of its natural archetype and extends their cognition to static and dynamic magnetic fields that by no means can be perceived by human beings naturally. Various application fields of stretchable magnetoelectronics are proposed and realized throughout this work. The developed sensor platform can equip soft electronic systems with navigation, orientation, motion tracking and touchless control capabilities. A variety of novel technologies, like smart textiles, soft robotics and actuators, active medical implants and soft consumer electronics will benefit from these new magnetic functionalities.:Outline List of abbreviations 7 1. INTRODUCTION 1.1 Motivation and scope of this work 8 1.1.1 A brief review on stretchable electronics 8 1.1.2 Stretchable magnetic sensorics 10 1.2 Technological approach 11 1.3 State-of-the-art 12 2. THEORETICAL BACKGROUND 2.1 Magnetic coupling phenomena in layered structures 14 2.1.1 Magnetic interlayer exchange coupling 14 2.1.2 Exchange bias 15 2.1.3 Orange peel coupling 16 2.2 Giant magnetoresistance 17 2.2.1 Electronic transport through ferromagnets 17 2.2.2 The GMR effect 19 2.2.3 GMR multilayers 20 2.2.4 Spin valves 21 2.3 Theory of elasticity 22 2.3.1 Elastomeric materials 22 2.3.2 Stress and strain 23 2.3.3 Rubber elasticity 25 2.3.4 The Poisson effect 26 2.3.5 Viscoelasticity 27 2.3.6 Bending strain in a stiff film on a flexible support 27 2.4 Approaches to stretchable electronic systems 28 2.4.1 Microcrack formation 28 2.4.2 Meanders and compliant patterns 29 2.4.3 Surface wrinkling 30 2.4.4 Rigid islands 32 3. METHODS & MATERIALS 3.1 Sample fabrication 34 3.1.1 Polydimethylsiloxane (PDMS) 34 3.1.2 PDMS film preparation 35 3.1.3 Lithographic structuring on the PDMS surface. 36 3.1.4 Magnetic thin film deposition 38 3.1.5 GMR layer stacks 40 3.1.6 Mechanically induced pre-strain 43 3.1.7 Methods and materials for the direct transfer of GMR sensors 45 3.1.8 Materials used for imperceptible GMR sensors 47 3.2 Characterization 48 3.2.1 GMR characterization setup with in situ stretching capability 48 3.2.2 Sample mounting 50 3.2.3 Electrical contacting of stretchable sensor devices 51 3.2.4 Customized demonstrator electronics 52 3.2.5 Microscopic investigation techniques 53 4. RESULTS & DISCUSSION 4.1 GMR multilayer structures on PDMS 54 4.1.1 Pre-characterization 54 4.1.2 Thermally induced wrinkling 55 4.1.3 Self-healing effect 57 4.1.4 Demonstrator: Magnetic detection on a curved surface 60 4.1.5 Sensitivity enhancement 61 4.1.6 GMR sensors in circumferential geometry 64 4.1.7 Stretchability test 67 4.2 Stretchable spin valves 69 4.2.1 Random wrinkles and periodic fracture 70 4.2.2 GMR characterization 73 4.2.3 Stretching of spin valves 74 4.2.4 Microcrack formation mechanism 76 4.3 Direct transfer printing of GMR sensorics 81 4.3.1 The direct transfer printing process 82 4.3.2 Direct transfer of GMR microsensor arrays 84 4.3.3 Direct transfer of compliant meander shaped GMR sensors 86 4.4 Imperceptible magnetoelectronics 89 4.4.1 GMR multilayers on ultra-thin PET membranes 89 4.4.2 Imperceptible GMR sensor skin 92 4.4.3 Demonstrator: Fingertip magnetic proximity sensor 93 4.4.4 Ultra-stretchable GMR sensors 94 4.4.5 Biaxial stretchability 99 4.4.6 Demonstrator: Dynamic detection of diaphragm inflation 101 5. CONCLUSIONS & OUTLOOK 5.1 Achievements 102 5.2 Outlook 104 5.2.1 Further development steps 104 5.2.2 Prospective applications. 105 5.3 Technological impact: flexible Bi Hall sensorics 106 5.3.1 Application potential 106 5.3.2 Thin and flexible Hall probes 107 5.3.3 Continuative works and improvements 108 5.4 Activities on technology transfer and public relations 108 Appendix References 110 Selbständigkeitserklärung 119 Acknowledgements 120 Curriculum Vitae 121 Scientific publications, contributions, patents, grants & prizes 122

This thesis provides a systematic guideline for evaluating, integrating and designing the collaborative end effector system associated with commercially available collaborative robots (cobots). On the basis of ISO/TS 15066:2016, customers’ demands are categorised as a macro demand framework and micro demand variables, which are parameterised and hierarchised. By analysing these parameters, the collaborative degree is determined to correlate the hazards with protection measures, which can demonstrate the collaborative safety level transparently. After that, the safety protection measures are specifically proposed corresponding to the potential risks. Finally, an industrial application is evaluated, a novel adapter utilised on the UR5 cobot is illustrated, and its characteristics for the collaborative operation are described.:1 Introduction 2 Robotic end effector in Assembly and Handling 3 Concept and Definition of Collaboration 4 Statement of the academic purpose and methodology 5 Guideline and Methodology for designing the Active Lightweight End-effector (ALE) for collaborative robots 6 Performance demand d4): multiplicity and versatility of end effector 7 A safety monitoring end effector (Adapter) for collaborative operations 8 A practical study of collaborative integration based on collaborative degree 9 Conclusion Appendix / Diese Arbeit liefert einen systematischen Leitfaden für die Bewertung, Integration und Gestaltung des kollaborierenden Endeffektorsystems in Verbindung mit kommerziell verfügbaren kollaborativen Robotern (Kobots). Auf der Grundlage der ISO/TS 15066:2016 werden die Anforderungen der Kunden in einen Makro-Bedarfsrahmen und Mikro-Bedarfsvariablen kategorisiert, die parametrisiert und hierarchisiert werden. Durch die Analyse dieser Parameter wird der Kollaborationsgrad ermittelt, um die Gefährdungen mit Schutzmaßnahmen zu korrelieren, die die kollaborierende Sicherheitsstufe transparent darstellen können. Danach werden die Schutzmaßnahmen entsprechend den potenziellen Risiken vorgeschlagen. Schließlich wird ein industrieller Anwendungsfall bewertet, ein neuartiger Adapter für den Einsatz an einem Roboter UR5 erläutert und dessen Kenndaten für den kollaborierenden Betrieb beschrieben.:1 Introduction 2 Robotic end effector in Assembly and Handling 3 Concept and Definition of Collaboration 4 Statement of the academic purpose and methodology 5 Guideline and Methodology for designing the Active Lightweight End-effector (ALE) for collaborative robots 6 Performance demand d4): multiplicity and versatility of end effector 7 A safety monitoring end effector (Adapter) for collaborative operations 8 A practical study of collaborative integration based on collaborative degree 9 Conclusion Appendix

This thesis addresses the development of materials, technologies and circuits applied for the fabrication of a new class of microelectronic devices that are relying on a three-dimensional shape variation namely shapeable microelectronics. Shapeable microelectronics has a far-reachable future in foreseeable applications that are dealing with arbitrarily shaped geometries, revolutionizing the field of neuronal implants and interfaces, mechanical prosthetics and regenerative medicine in general. Shapeable microelectronics can deterministically interface and stimulate delicate biological tissue mechanically or electrically. Applied in flexible and printable devices shapeable microelectronics can provide novel functionalities with unmatched mechanical and electrical performance. For the purpose of shapeable microelectronics, novel materials based on metallic multilayers, photopatternable organic and metal-organic polymers were synthesized. Achieved polymeric platform, being mechanically adaptable, provides possibility of a gentle automatic attachment and subsequent release of active micro-scale devices. Equipped with integrated electronic the platform provides an interface to the neural tissue, confining neural fibers and, if necessary, guiding the regeneration of the tissue with a minimal impact. The self-assembly capability of the platform enables the high yield manufacture of three-dimensionally shaped devices that are relying on geometry/stress dependent physical effects that are evolving in magnetic materials including magentostriction and shape anisotropy. Developed arrays of giant magnetoimpedance sensors and cuff implants provide a possibility to address physiological processes locally or distantly via magnetic and electric fields that are generated deep inside the organism, providing unique real time health monitoring capabilities. Fabricated on a large scale shapeable magnetosensory systems and nanostructured materials demonstrate outstanding mechanical and electrical performance. The novel, shapeable form of electronics can revolutionize the field of mechanical prosthetics, wearable devices, medical aids and commercial devices by adding novel sensory functionalities, increasing their capabilities, reducing size and power consumption.

This thesis addresses the development of materials, technologies and circuits applied for the fabrication of a new class of microelectronic devices that are relying on a three-dimensional shape variation namely shapeable microelectronics. Shapeable microelectronics has a far-reachable future in foreseeable applications that are dealing with arbitrarily shaped geometries, revolutionizing the field of neuronal implants and interfaces, mechanical prosthetics and regenerative medicine in general. Shapeable microelectronics can deterministically interface and stimulate delicate biological tissue mechanically or electrically. Applied in flexible and printable devices shapeable microelectronics can provide novel functionalities with unmatched mechanical and electrical performance. For the purpose of shapeable microelectronics, novel materials based on metallic multilayers, photopatternable organic and metal-organic polymers were synthesized. Achieved polymeric platform, being mechanically adaptable, provides possibility of a gentle automatic attachment and subsequent release of active micro-scale devices. Equipped with integrated electronic the platform provides an interface to the neural tissue, confining neural fibers and, if necessary, guiding the regeneration of the tissue with a minimal impact. The self-assembly capability of the platform enables the high yield manufacture of three-dimensionally shaped devices that are relying on geometry/stress dependent physical effects that are evolving in magnetic materials including magentostriction and shape anisotropy. Developed arrays of giant magnetoimpedance sensors and cuff implants provide a possibility to address physiological processes locally or distantly via magnetic and electric fields that are generated deep inside the organism, providing unique real time health monitoring capabilities. Fabricated on a large scale shapeable magnetosensory systems and nanostructured materials demonstrate outstanding mechanical and electrical performance. The novel, shapeable form of electronics can revolutionize the field of mechanical prosthetics, wearable devices, medical aids and commercial devices by adding novel sensory functionalities, increasing their capabilities, reducing size and power consumption.