Bücher veröffentlicht von Karlsruher Institut Fur Technologie

Im Rahmen dieser Arbeit werden Siliziumnitrid¿/Siliziumkarbidkompositwerkstoffe für tribologisch hochbeanspruchte Anwendungen entwickelt und charakterisiert. Bei der Charakterisierung der Kompositwerkstoffe wird der Zusammenhang zwischen dem Siliziumkarbidgehalt und der entstehenden Mikrostruktur sowie den mechanischen Eigenschaften dargestellt. Tribologisch wurden die Werkstoffe in Modellversuchen untersucht. Dabei zeigten sie ein sehr gutes Reib- und Verschleißverhalten. In this work, silicon nitride/silicon carbide composites are manufactured and characterized for tribologically highly stressed applications. The characterization of the composite materials shows the influence of the silicon carbide content on the resulting microstructure and the mechanical properties. The friction properties of the composite materials were characterized in tribological experiments. The composites show very good friction and wear behavior.

In this work a process simulation model identifies the most profitable German biogas plant types and sizes. Small manure and large-scale biowaste plants are currently the most economically attractive installations whereas the valorization of energy crops turns out to be unprofitable. Future developments are assessed with the help of a regional optimization model under constraints. Capacity expansion concerns small-scale manure and biowaste installations rather than plants based on energy crops.

Ihrer Arbeit in der Originalsprache: Die Digitalisierung hat bereits viele Bereiche der Wirtschaft und des gesellschaftlichen Lebens verändert. Auch unterliegen die Aspekte des Gesundheitswesens und der klinischen Praxis einem digitalen Wandel. Im Hinblick auf diese Entwicklungen beleuchtet die vorliegende Dissertation die Akquisition, Repräsentation und Nutzung von Prozesswissen im Kontext hybrider KI-Methoden. Zentraler Beitrag ist die strukturerhaltende Hin- und Rücktransformation von Prozessbäumen zu Prozessplänen. Digitalization has already transformed many areas of the economy and social life. Aspects of healthcare and clinical practice are also undergoing digital transformation. In light of these developments, this dissertation sheds light on the acquisition, representation, and use of process knowledge in the context of hybrid AI methods. The central contribution is the structure-preserving back-and-forth transformation of process trees to process plans.

Die Simulation keramischer Leuchtstoffe mittels der Diffusionsnäherung der Strahlungstransportgleichung wird von rotationssymmetrischen Fällen auf allgemeine, dreidimensionale Problemstellungen erweitert. Der Leuchtstoff wird erstmalig mittels der Diffusionsnäherung mit einer zeitlich und örtlich veränderlichen Laserlichtquelle untersucht. Dazu werden verschiedene Laserlichtquellen verglichen, um erauszuarbeiten, welche der Alternativen sich am besten für die Anwendung im Scheinwerfer eignet. The simulation of ceramic phosphors by means of the diffusion approximation of the radiation transport equation is extended from rotationally symmetrical cases to general, three-dimensional problems. The phosphor is simulated with the diffusion approximation for a temporal and spacial variable laser light source for the first time. Therefore, different laser light sources are being compared to evaluate, which one of the alternatives is best suited for the intended use in an automotive head lamp.

Das Werk befasst sich mit der Ikonografie des Atoms zwischen Atomeuphorie und Antiatomkraftbewegung der 1950er bis 1970er-Jahre in der BRD anhand des Lebens und Werks des deutschen Architekten, Grafikers und Fotografen Rolf Lederbogen. Die gesellschaftspolitische Dimension der Atomtechnologie bei der Kommunikation und Visualisierung des Narrativs ¿Atoms for Peace¿ wird dabei in den Kontext zur Geschichte des technischen Denkens in Architektur und Design gestellt. The work deals with the iconography of the atom from the euphoria about nuclear technology of the 1950s to the anti-nuclear movement of the 1970s in the Federal Republic of Germany. Using the life and work of the German architect and graphic designer Rolf Lederbogen as an example, the socio-political dimension of nuclear technology in communication and visualisation of the narrative "Atoms for Peace" is put in context with the history of technical thinking in architecture and design.

An early detection and diagnosis of atrial fibrillation sets the course for timely intervention to prevent potentially occurring comorbidities. Electrocardiogram data resulting from electrophysiological cohort modeling and simulation can be a valuable data resource for improving automated atrial fibrillation risk stratification with machine learning techniques and thus, reduces the risk of stroke in affected patients.

Photonic integrated circuits (PIC) become increasingly important for numerous applications. Mass production of PIC has become widely available, but large-volume low-cost photonic packaging still represents a challenge. Additive micro-fabrication of free-form optical coupling structures is discussed as a concept to overcome this technology gap. Multi-photon 3D-lithography is used to fabricate dielectric waveguides ("photonic wire bonds", PWB) as well as facet-attached microlenses (FaML).

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methode zu entwickeln, mit der die Matrixproduktion im Falle einer Störung umgeplant werden kann. Zu diesem Zweck werden verschiedene Methoden der künstlichen Intelligenz in neuartiger Weise kombiniert. Die entwickelte Methode wird anhand eines theoretischen und einem realen Terminierungsfalles validiert. This work aims to develop a method that can reschedule the matrix production in the case of a disruption. For this purpose, different artificial intelligence methods are combined in a novel way. The developed method is validated on a theoretical and a real scheduling case.

Materials of industrial interest often show a complex microstructure which directly influences their macroscopic material behavior. For simulations on the component scale, multi-scale methods may exploit this microstructural information. This work is devoted to a multi-scale approach for brittle materials. Based on a homogenization result for free discontinuity problems, we present FFT-based methods to compute the effective crack energy of heterogeneous materials with complex microstructures.

Computational homogenization permits to capture the influence of the microstructure on the cyclic mechanical behavior of polycrystalline metals. In this work we investigate methods to compute Laguerre tessellations as computational cells of polycrystalline microstructures, propose a new method to assign crystallographic orientations to the Laguerre cells and use Bayesian optimization to find suitable parameters for the underlying micromechanical model from macroscopic experiments.

Proposed in the early 1990s, the enhanced assumed strain (EAS) method is one of the probably most successful mixed finite element methods for solid mechanics. This cumulative dissertation gives a comprehensive overview of previous publications on that method and covers recent improvements for EAS elements. In particular, we describe three key issues of standard EAS elements and develop corresponding solutions.

Warm conveyor belts (WCBs) are weather systems that substantially modulate the large-scale extratropical circulation. As they can amplify forecast errors and project them onto the Rossby wave pattern, they are of high relevance for numerical weather prediction. This work elaborates on two aspects of WCBs in the context of ensemble forecasts: (1) sensitivities of WCBs to the representation of initial condition and model uncertainties, and (2) the role of WCBs for forecast error growth.

Hybrid perovskite photovoltaics could play a vital role in future¿s renewable energy production. However, there are still severe challenges when scaling the technology. In this work, perovskite solution films drying in laminar and slot-jet air flows are investigated extensively by optical in situ characterization. The main results are a quantitative model of perovskite drying dynamics and a novel in situ imaging technique ¿ yielding valuable predictions for large-scale perovskite fabrication.

This work proposes a new numerical approach for analyzing the behavior of fiber-reinforced materials, which have gained popularity in various applications. The approach combines theories and methods to model the fracture behavior of the polymeric matrix and the embedded fibers separately, and includes a modified plasticity model that considers the temperature-dependent growth of voids. Tests are conducted to explore different types and sequences of failure in long fiber-reinforced polymers.

Das elektromechanische Verhalten zweier neu entwickelten, auf Natrium-Bismut-Titanat basierenden bleifreier Ferroelektrika sowie daraus bestehenden Zweilagenkompositen wird durch Experimente und numerische Simulationen untersucht. Für die Finite-Elemente-Methode wird hierzu ein dreidimensionales, vollständig elektromechanisch gekoppeltes Materialmodell entwickelt. An Hand einer Parameterstudie werden die elektromechanischen Kopplungseigenschaften der Zweilagenkomposite optimiert. The electromechanical behavior of two new sodium bismuth titanate based lead-free ferroelectric materials as well as bilayer composites are investigated in experiments and numerical simulations. For the Finite-Element-Method, a fully coupled, three dimensional ferroelectric constitutive model is developed. In a parameter study, the electromechanical coupling of bilayer composite is optimized.

Complementary to scattering techniques, scanning tunnelling microscopy provides atomic-scale real space information about a material's electronic state of matter. State-of-the-art designs of a scanning tunnelling microscope (STM) allow measurements at millikelvin temperatures with unprecedented energy resolution. Therefore, this instrument excels in probing the superconducting state at low temperatures and especially its local quasiparticle excitations as well as bosonic degrees of freedom.

Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Erklärung zu den auftretenden Wechselwirkungen zwischen Laufstreifenmischung und Fahrbahntextur bei trockenen sowie nassen Fahrbahnbedingungen entwickelt werden. Wird an einem Reifenprüfstand beispielsweise eine in der Reifenindustrie sehr verbreitete Korund-Oberfläche eingesetzt, führt dies im Vergleich zu Ergebnissen auf einer realen Fahrbahnoberfläche bei Nässe zu Rangordnungsumkehrungen der untersuchten Laufstreifenmischungen. This work aims to gain an understanding of the interactions between tread compounds and surface texture on dry and wet road conditions. If, for example, a corundum surface, which is very well-established in the tire industry, is used on the tire test bench instead of a real track surface, for wet track conditions ranking inversions in the tested compounds occur.

Der Tagungsband enthält die Beiträge zu den Vorträgen der 9. Fachtagung vom 28. Februar 2023 in Karlsruhe. In 12 Artikeln wird über den Stand der Forschung und neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Antriebstechnik für mobile Arbeitsmaschinen berichtet. Der Tagungsband zeichnet sich durch Fachbeiträge zu klimaneutralen, effizienzoptimierten und elektrifizierten Antrieben in verschiedensten Maschinen aus. Neben Fahrantrieben werden auch nachhaltige und innovative Arbeitsantriebe thematisiert. This book contains the conference proceedings to the lectures of the 9th symposium on 28th February 2023 in Karlsruhe. The state of research and new developments in the field of drive technology for mobile machines are reported in 12 articles. The conference proceedings are characterized by technical contributions on climate-neutral, efficiency-optimized and electrified drives in a variety of machines. In addition to traction drives, drive systems for performing work tasks are also addressed.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Entstehungsmechanismen störender Geräusche am elektrischer Radnabenmotor und beschreibt ein multiphysikalisches Modell, welches diese nachbildet. Daraus werden Gegenmaßnahmen abgeleitet und bewertet. Ein vibroakustisch optimierter Steuerungsansatz, wird weiterentwickelt und auf das zu untersuchende experimentell angewandt. Des Weiteren werden Grenzen und das Zusammenwirken des optimierten Steuerungsansatzes mit der Motorregelung näher beleuchtet. This work deals with the mechanisms of disturbing noises at the electric wheel hub motor and describes a multiphysical model which simulates them. From this, countermeasures are derived and evaluated. A vibroacoustical optimized control approach, was developed and applied to the system. Furthermore, limitations and the interaction of the optimized control approach with the motor control are examined more detail.

Die Betonbranche steht vor der großen Herausforderung, die CO¿-Emsissionen drastisch zu senken und somit einen Beitrag zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz zu leisten. In diesem Tagungsband möchten wir den Fokus darauf richten, wie wir durch das Bauen im Kreislauf die Betonbranche nicht nur nachhaltiger, sondern auch kosteneffizienter gestalten können. Dabei stehen insbesondere das Recycling von Beton und die Wiederverwendung ganzer Betonbauteile im Vordergrund. The concrete industry is facing the major challenge of drastically reducing CO¿ emissions and thus contributing to sustainability and climate protection. In these conference proceedings, we would like to focus on how we can make the concrete industry not only more sustainable but also more cost-efficient by adopting the circular economy in the building sector. In particular, we focus on the recycling of concrete and the reuse of entire concrete components.

Ein wellenleiterbasierter Sensorchip wird demonstriert, der für Point-of-Care-Anwendungen geeignet ist. Der Biosensor wird mit Hilfe eines mathematischen Modells entworfen, mit dem die Sensitivität der Wellenleiter untersucht wird. Für die Lichteinkopplung in die Wellenleiter wird erstmalig eine neue Klasse von integrierten Laserquellen für sichtbare Wellenlängen untersucht. Die Funktionsfähigkeit des wellenleiterbasierten Biosensorchips durch Detektionsexperimente erfolgreich nachgewiesen. A waveguide-based sensor chip is demonstrated that is suitable for point-of-care applications. The biosensor is designed using a mathematical model to investigate the sensitivity of the waveguides. A new class of integrated laser sources for visible wavelengths is being investigated for the first time for light coupling into the waveguides. The functionality of the waveguide-based biosensor chip is successfully demonstrated by detection experiments.

This work presents three advances to scale SNSPDs from few-pixel devices to large detector arrays: atomic layer deposition for the fabrication of uniform superconducting niobium nitride films of few-nanometer thickness, a frequency-multiplexing scheme to operate multiple detectors with a reduced number of lines, and the integration of SNSPDs with free-form polymer structures to achieve efficient optical coupling onto the active area of the detectors.

Effective mechanical properties of fiber-reinforced composites strongly depend on the microstructure, including the fibers' orientation. Studying this dependency, we identify the variety of fiber orientation tensors up to fourth-order using irreducible tensors and material symmetry. The case of planar fiber orientation tensors, relevant for sheet molding compound, is presented completely. Consequences for the reconstruction of fiber distributions and mean field homogenization are presented.

Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Lokalisierungssystems, welches mehreren fahrerlosen Transportfahrzeugen ermöglicht lokal hochflexibel und frei navigieren zu können. Das deckenmontierte Sensorsystem erkennt und analysiert Objekte innerhalb des Sichtfeldes. Die ermittelten Eigenschaften aller Objekte werden über eine Schnittstelle zur Verfügung gestellt und ermöglichen es Fahrzeugen, sich selbst zu identifizieren und frei zu navigieren, ohne einen am Fahrzeug montierten Sensor. The content of this work is the development of a localization system, which enables several driverless transport vehicles to navigate locally in a highly flexible and free way. The ceiling mounted sensor system detects and analyzes objects within the field of view. The detected properties of all objects are made available via an interface and enable vehicles to identify themselves and navigate freely without a sensor mounted on the vehicle.

Eine Schätzung des Fahrbahnnässegrads unterstützt Fahrer sowie Fahrzeug bei der Fahrzeugführung. Diese Arbeit zeigt die Grundlagen für ein System, das durch Körperschallmessungen an verschiedenen Positionen des Fahrzeugs die Wasseraufwirbelung der Reifen erfasst und daraus auf einen Fahrbahnnässegrad schließt. Ein auf diesem Prinzip aufgebautes System findet im Porsche 911, Typ 992, seinen Serien-Ersteinsatz. An estimation of the road wetness level supports the driver as well as the vehicle to maneuver safely. This study presents the fundamentals of a system that uses structure-borne sound measurements at various positions on the vehicle to detect the water spraying up from the tires and uses this information to estimate the degree of road wetness. The system finds its first application in the Porsche 911, Type 992.

Erstmals wurden neue Verbinder aus Kunstharzpressholz (KPH) realisiert. Zu Beginn erfolgte eine Oberflächenbehandlung des KPH, um die Reibung zwischen Verbinder und Holzbauteil in den Scherfugen zu erhöhen und somit die Tragfähigkeit der Verbindung deutlich zu steigern. In Reibversuchen wurden Reibeiwerte der Oberflächen ermittelt. In anschließenden Druck-Scher-Versuchen wurde das Verhalten der Oberflächen in Verbindungen mit geneigt eingedrehten Vollgewindeschrauben untersucht. For the first time new connectors were realized using densified veneer wood (DVW). Initially, the DVW surface was modified to increase the friction between the connector and the timber part in the shear plane and thus significantly increase the load-carrying capacity of the connection. Friction tests were carried out to determine the friction coefficients of the surfaces. Based on the friction tests, the behavior of the surfaces in combination with inclined screws was investigated.

Business processes and information systems evolve constantly and affect each other in non-trivial ways. Aligning security requirements between both is a challenging task. This work presents an automated approach to extract access control requirements from business processes with the purpose of transforming them into a) access permissions for role-based access control and b) architectural data flow constraints to identify violations of access control in enterprise application architectures.

Microwave-assisted alkaline hydrolysis of PET can be 20 times faster and at lower temperatures. This work presents a novel industrial microwave applicator at 2.45 GHz with homogeneous distribution to support this reaction, which allows an efficient and continuous operation. In addition, an innovative dielectric and calorimetric measurements setup is presented. Furthermore, the modelling of the reaction kinetics based on the measured dielectric parameters is presented.

This work presents the development of a new sub-THz source for the generation of trains of coherent high-power ultra-short pulses at 263 GHz via passive mode-locking of two coupled helical gyro-TWTs. For the first time, it is shown that the operation of such passive mode-locked helical gyro-TWTs in the hard excitation regime is of particular importance to reach the optimal coherency of the generated pulses. This could be of particular interest for some new time-domain DNP-NMR methods.