Entropie eines Eiswürfels, Wahrscheinlichkeitsaussagen und Meeresspiegelerhöhung

Material flows and energy flows can be correlated with sufficient data, e.g. on production energies, annual production quantities and degrees of dissipation with temperature increases in the atmosphere, volumes of molten ice or sea level increases, as well as with probability statements, information densities and management recommendations. All these quantities can be described by the comprehensive term entropy. In order to consider the efficiency of material and energy flows, the difficulty to understand the concept of entropy with its different definitions can be summarized simply and easily in a model related to ice cubes. The quality of a model containing percentage probability statements, statements on dissipation in material flow models in connection with statements on information density and its description by the ice cube model is still to be determined in practice in suitable material flow models. Such projects should show the types of mathematical correlations between dissipation degrees, entropy increase, increase of molten ice and sea level rise

Entropie eines Eiswürfels, Wahrscheinlichkeitsaussagen und Meeresspiegelerhöhung

Material flows and energy flows can be correlated with sufficient data, e.g. on production energies, annual production quantities and degrees of dissipation with temperature increases in the atmosphere, volumes of molten ice or sea level increases, as well as with probability statements, information densities and management recommendations. All these quantities can be described by the comprehensive term entropy. In order to consider the efficiency of material and energy flows, the difficulty to understand the concept of entropy with its different definitions can be summarized simply and easily in a model related to ice cubes. The quality of a model containing percentage probability statements, statements on dissipation in material flow models in connection with statements on information density and its description by the ice cube model is still to be determined in practice in suitable material flow models. Such projects should show the types of mathematical correlations between dissipation degrees, entropy increase, increase of molten ice and sea level rise

Prozessstrategien zur Vermeidung von Heißrissen beim Schweißen von Aluminium mit pulsmodulierbaren Laserstrahlquellen

Das gepulste Laserstrahlschweißen ermöglicht die Vermeidung der Heißrissbildung beim Schweißen von 6xxx Aluminilegierungen ohne den Einsatz eines Schweißzusatzwerkstoffes. Im Rahmen der Arbeit wurden die Mechanismen und physikalischen Ursachen der Heißrissbildung beim gepulsten Laserstrahlschweißen untersucht und zusammenhängend beschrieben. Dafür wurde ein transientes thermomechanisches Simulationsmodell zur Abbildung des gepulsten Laserstrahlschweißprozesses mit zeitlich veränderlichem Pulsleistungsverlauf aufgebaut und experimentell validiert. Die zeit- und ortsaufgelöste Berechnung des gesamten Spannungs‑, Dehnungs- und Temperaturfeldes ermöglichte die Quantifizierung der wesentlichen Erstarrungsparameter an der Phasenfront zu jedem Zeitpunkt während Schmelzbadkristallisation. Die experimentellen Untersuchungen erfolgten repräsentativ an der industriell etablierten, aber heißrissanfälligen Legierung EN AW 6082-T6. Die grundlegenden experimentellen Untersuchungen wurden zunächst an modellhaften Einzelpunktschweißungen ausgeführt. Innerhalb der experimentellen Untersuchungen wurden drei Regime identifiziert, die sich in Abhängigkeit der Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzbades ergeben und in denen unterschiedliche Mechanismen die Entstehung von Heißrissen dominieren. Wohingegen die Rissbildung bei hohen Erstarrungsgeschwindigkeiten auf die Dehnrate, die geringe Permeabilität des interdendritischen Netzwerks und die große Nachspeisedistanz zurückgeführt werden konnte, wurde bei langsamen Erstarrungsgeschwindigkeiten die Seigerung niedrigschmelzender Phasen an der Erstarrungsfront als Rissursache identifiziert. Punktüberlappende Nahtschweißungen sind durch das Umschmelzen rissbehafteter Bereiche des vorherigen Schweißpunktes weniger sensibel für die Bildung von Heißrissen als Punktschweißen. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden aus den prozesstechnischen und physikalischen Ursachen für die Prozessgrenzen Strategien zur Erweiterung abgeleitet, entwickelt und umgesetzt. Hierfür wurde das gepulste Laserstrahlschweißen mit räumlich überlagerter cw-Diodenlaserstrahlung im niedrigen Leistungsbereich untersucht. Mit dem entwickelten Prozessansatz können heißrissfreie Schweißnähte auch mit konventionellen Rechteckpulsen erzeugt werden. Darüber hinaus wird einerseits die Einschweißtiefe signifikant gesteigert. Anderseits wird durch die geringe Leistungszugabe des Diodenlasers die Schweißgeschwindigkeit um den Faktor 4 gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik erhöht.Pulsed laser welding enables crack free welding of heat treatable aluminum alloys (6xxx) without using an additional filler wire. In this work, hot cracking mechanisms during pulsed laser beam welding were investigated and coherently described. Therefore, a transient thermomechanical simulation model with a non-uniform heat flux was build up and experimentally validated. The time and spatial dependent outcome of the stress, strain, and temperature field enables the quantification of the solidification parameters at the phase front at any time during melt pool solidification. To address many industrial applications, aluminum (EN AW 6082) was used for the experimental investigations. The experimental studies were initially carried out on individual spot welds. Within the experimental investigations, three regimes of solidification cracking susceptibility have been identified. It was found that the formation of hot cracks is directly related to the solidification rate. At high solidification rates, hot cracking could be attributed to the high strain rate, the dendritic network's low permeability, and the long feeding distance of liquid. At low solidification rates, low melting eutectic formation within the interdendritic structure causes a reappearance of hot cracking. Seam welding with overlapping spot welds is less sensitive to the formation of hot cracks than spot welding due to the remelting of the previous weld spot's cracked areas. Based on the results, an alternative process was derived, developed, and implemented. In this case, the pulsed laser beam welding process with spatially superimposed cw-diode laser radiation was investigated. The temporal and spatial arrangement of the pulsed Nd:YAG laser with cw-diode laser allows the crack-free welding of heat treatable aluminum alloys using a conventional rectangular pulse shape. Furthermore, the penetration depth, as well as the welding speed, could be increased by superimposing both laser beams.Beim gepulsten Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen hat sich im industriellen Umfeld die zeitliche Formung der Laserpulse als ein adäquates Werkzeug zur Unterdrückung von Heißrissen erwiesen. Dabei wird die Leistung im Laserpuls meistens linear über einen definierten Zeitraum abgesenkt, um die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze zu verringern. Im Rahmen der Arbeit wurden die Mechanismen und physikalischen Ursachen der Heißrissbildung untersucht und zusammenhängend beschrieben. Dafür wurde ein transientes thermomechanisches Simulationsmodell des gepulsten Laserstrahlschweißprozesses mit zeitlich veränderlichem Pulsleistungsverlauf aufgebaut und experimentell validiert. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden aus den prozesstechnischen und physikalischen Ursachen für die Prozessgrenzen Strategien zur Erweiterung abgeleitet, entwickelt und umgesetzt. Hierfür wurde das gepulste Laserstrahlschweißen mit räumlich überlagerter cw-Diodenlaserstrahlung im niedrigen Leistungsbereich untersucht. Mit dem entwickelten Prozessansatz können heißrissfreie Schweißnähte auch mit konventionellen Rechteckpulsen erzeugt werden

Herstellung von thermoplastischen Faserverbund-Metall-Hybriden durch Press- und Schweißprozesse (Bachelorarbeit)

Im Zuge der Ressourcenknappheit und des Klimawandels gilt es, die Luft- und Raumfahrt möglichst effizient zu gestalten. Die Leichtbauweise als Konstruktionsphilosophie ist ein wichtiges Mittel zur Reduktion von Kohlenstoffdioxid-Emissionen. Leichtmetalle wie Titan oder Aluminium sowie Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sind daher in der Luft- und Raumfahrtindustrie von großer Bedeutung. Auf Grund des hohen Recycling-Potentials und der kürzeren Verarbeitungsprozesse im Vergleich zu duromeren Matrixsystemen geraten thermoplastische Matrixsysteme zunehmend in den Fokus. Damit Baugruppen im Multi-Material-Design gefertigt werden können, benötigt es Fügeprozesse, mit deren Hilfe hybride Strukturen aus Faserverbundkunststoffen und Metallen hergestellt werden können. Daher werden in der vorliegenden Bachelorarbeit Press- und Schweißprozesse zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbund-Metall-Hybriden untersucht. Dafür werden zunächst relevante Literaturinhalte dargestellt und anschließend Hybridstrukturen aus Aluminium EN AW 2024 und kohlenstofffaserverstärktem Polyphenylensulfid experimentell mittels Co-Konsolidierung, elektrischem Widerstandsschweißen und Ultraschallschweißen hergestellt. Zur Beurteilung der Anbindung werden Zugscherversuche durchgeführt und die Bruchflächen analysiert. Die Ergebnisse der mechanischen Prüfung werden durch mikroskopische Untersuchungen der Bruchflächen und Probenquerschnittsflächen unterstützt. Co-Konsolidierte Hybridstrukturen weisen die höchsten Zugscherfestigkeit auf und stellen somit den Referenzprozess für die Schweißprozesse dar. Mikroskopische Untersuchungen und die Bruchflächenanalysen zeigen, dass der kritische Anbindungsmechanismus das Aufschmelzen und Eindringen der Polymermatrix in eine vor dem Fügeprozess eingearbeitete Oberflächenstrukturierung des Aluminiums ist. Die Polymerschmelze erstarrt in der Oberflächenstruktur und bildet somit in Form einer mechanischen Verriegelung den Anbindungsmechanismus. Da ein Schwerpunkt ebenfalls die industrienahe Anwendung darstellen soll, werden die Fügeprozesse ggf. hinsichtlich der Herstellbarkeit größerer Fügeflächen mit einer Dimensionierung von 200 mm x 20 mm betrachtet

Beitrag zur Schwingfestigkeitsbewertung stanzgenieteter Fügepunkte auf Basis des Örtlichen Konzepts

Das Fügeverfahren Stanznieten mit Halbhohlstanzniet stellt eine formschlüssige, nicht zerstörungsfrei lösbare Verbindung zwischen zwei oder mehr Blechwerkstoffen her. Der Einsatz dieser Fügeverbindung in sicherheitsrelevanten Bauteilen setzt einen Nachweis gegen Versagen bei statischer und zyklischer Belastung voraus. Dieser kann einerseits experimentell, andererseits rechnerisch erfolgen. Der rechnerische Nachweis bei zyklischer Belastung von komplexen Bauteilen erfolgt in der Regel auf Basis von Finite-Elemente-Simulationen, in denen das Bauteil durch Schalenelemente modelliert wird und die Fügestellen durch Ersatzmodelle dargestellt werden. Zum Nachweis der Festigkeit bzw. der Abschätzung der Lebensdauer des Fügepunkts werden die Beanspruchungen am Ersatzmodell mit der Beanspruchbarkeit des Fügpunkts verglichen. Die Beanspruchbarkeit des Fügepunkts hängt von folgenden Faktoren ab: • Werkstoffe der Fügeteile und deren Blechdicken • Fügeparameter und die daraus resultierende Geometrie des Fügepunkts • Richtung der Lasteinleitung in den Fügepunkt • Spannungsverhältnis der Last Die Beanspruchbarkeit des Fügepunkts kann i.d.R. entweder in einem aufwendigen Versuchsprogramm an Proben ermittelt oder rechnerisch abgeschätzt werden. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur rechnerischen Abschätzung der Beanspruchbarkeit eines stanzgenieteten Fügepunktes auf Basis des Örtlichen Konzepts vorgestellt. Die Beanspruchungen im Fügepunkt bei zyklischer Belastung werden mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation an einem 3D-Modell unter Berücksichtigung von elastisch-plastischem Werkstoffverhalten ermittelt. Die Abschätzung der Lebensdauer bis zum Versagen des Fügepunkts geschieht über den Vergleich der Beanspruchungen im Fügepunkt mit der Beanspruchbarkeit der jeweiligen Werkstoffe. Diese kann entweder an Werkstoffproben ermittelt, aus der Zugfestigkeit abgeschätzt oder aus Herstellerangaben entnommen werden. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber den meisten bereits existierenden Konzepten, die auf Festigkeitsuntersuchungen an Fügeverbindungen angewiesen sind. Die Validierung des Konzepts mit einer Datenbasis von 457 Versuchsergebnissen mit unterschiedlichen Kombinationen der oben aufgezählten Einflussfaktoren auf die Festigkeit einer Fügeverbindung zeigt eine gute Treffsicherheit des entwickelten Konzepts. Des Weiteren ermöglicht die Auswertung des Ortes mit der minimalen rechnerischen Lebensdauer im Fügepunkt eine gute Abschätzung des experimentellen Anrissortes in der Verbindung.The self-piercing riveting process with semi-tubular rivet creates a positive, non-destructively detachable joint between two or more sheet metal workpieces. The use of this joint in safety-relevant components requires proof against failure under static and cyclic loading. This can be done experimentally on the one hand and calculatively on the other. The analytical strength assessment for cyclic loading of complex components is usually carried out on the basis of finite element simulations, in which the component is modelled by shell elements and the riveted joints are represented by substitute models. To verify the strength or to estimate the service life of the joint, the stresses on the substitute model are compared with the strength of the joint. The strength of the riveted joint depends on the following factors: • Materials of the parts to be joined and their sheet thicknesses • Joining parameters and the resulting geometry of the riveted joint • Direction of load introduction into the riveted joint • Stress ratio of the load The strength of the riveted joint can usually either be determined in a complex experimental program on specimens or estimated by calculation. This paper presents a concept for the analytical estimation of the strength of a punch-riveted joint on the basis of the local strain approach. The stresses and strains in the riveted joint under cyclic loading are determined with the aid of a finite element simulation using a 3D model, with consideration of elastic-plastic material behaviour. The service life until failure of the riveted joint is estimated by comparing the stresses and strains in the riveted joint with the strength of the respective materials. This can either be determined on material specimens, estimated from the tensile strength or taken from manufacturer specifications. This is a great advantage compared to most existing concepts that rely on strength tests on riveted joints. The validation of the concept with a database of 457 test results with different combinations of the above mentioned influencing factors on the strength of a riveted joint shows a good accuracy of the developed concept. Furthermore, the evaluation of the location with the minimum calculated service life in the riveted joint allows a good estimation of the experimental crack location in the joint

Art and objecthood: Studien zu Cady Noland

Am Beispiel zweier Installationen in der Ausstellung Cady Noland am Museum MMK für Moderne Kunst Frankfurt zeigt sich, wie Cady Noland durch ihre kuratorische Präsenz den Blick produziert. Die Betrachtenden werden von ihr als künstlerisches Material stets mitgedacht und ins Kunstwerk integriert. Ihre Arbeiten gehen jedoch nicht in „Theatralität“ auf, denn sie vermitteln zudem die Distanzierung des Publikums, das die Werke nahezu versunken konsumiert. Auf diese Weise gelingt es der Künstlerin, Kunst und Objekthaftigkeit in einer dialektischen Bewegung zu fassen. Somit widersetzen sich Nolands Arbeiten der von Michael Fried 1967 vorgenommenen Trennung von Art and Objecthood

Bestimmung der Verbindungseigenschaften beim punktförmigen Schweißen von Aluminiumlegierungen mit Stahl

Bei Schweißverbindungen zwischen Stahl und Aluminiumlegierungen kommt es infolge unkontrollierter Wärmeeinbringung zu einer Verminderung der Festigkeit und Verformbarkeit. Die Bildung intermetallischer Phasen ist hierfür die Ursache. Das neuartige Ultraschall-Element-Widerstandspunktschweißen wird zur gezielten Erzeugung intermetallischer Phasen durch definierten Energieeintrag eingesetzt. Die Festigkeit der Fügezone wurde mithilfe einer eigens entwickelten Sonderzugprobe bestimmt. Es wurde nachgewiesen, dass ein Verbindungsversagen durch die intermetallische Phase auftritt, wenn die Festigkeit der Verbindungszone kleiner ist als die Festigkeit des Aluminiumwerkstoffs. Diese Erkenntnisse sind in ein Berechnungskonzept eingeflossen, das erstmals intermetallische Phasen als Bemessungsgröße berücksichtigt. Die Berechnung der übertragbaren Lasten bei Kopf- und Scherzug und die Prognose der zu erwartenden Bruchart werden ermöglicht.Stahl wird in Leichtbaustrukturen durch Aluminiumlegierungen ergänzt. Die Fügetechnik nimmt hierbei eine Schlüsselrolle ein. Die Werkstoffe weisen unterschiedliche thermophysikalische Eigenschaften auf, was die schweißtechnische Verarbeitung erschwert. Die Bildung intermetallischer Phasen während des Schweißens führt bei unkontrolliertem Wärmeeintrag und unzureichender Anbindung zu sprödem Verbindungsversagen bei geringen Lasten. Das Verfahren des Ultraschall-Element-Widerstandspunktschweißens ermöglicht den Einsatz des Widerstandspunktschweißens als Hauptfügeprozess. Dazu wird auf das Aluminiumblech an der Fügestelle mittels Ultraschallschweißen ein Fügehilfselement aufgeschweißt, welches die Verbindung zum Stahl durch eine Schweißlinse erreicht. Während der Widerstandserwärmung wachsen intermetallische Phasen in der Ultraschallschweißung über das prozessual einstellbare Temperatur-Zeitregime während des Widerstandsschweißprozesses an. Es gelang mit Hilfe einer eigens entwickelten Zugprobe die Fügezonenfestigkeit nach der Durchführung der Schweißprozesse zu bestimmen. So konnte nachgewiesen werden, dass ein Verbindungsversagen im Zusammenhang mit der intermetallischen Phase nur dann eintritt, wenn die Fügezonenfestigkeit kleiner ist als die Festigkeit des Aluminiumwerkstoffs. Als Grenze wurde eine Gesamtphasendicke von 8 µm herausgearbeitet. Es gelang, ein Prognoseverfahren für das Abgrenzen von Ausknöpfbrüchen zu Scherbrüchen bei Scherzugbelastung auf Stahl/Aluminium-Verbindungen unter Berücksichtigung intermetallischer Phasen anzuwenden. Zur Für die Scher- und Kopfzugverbindungen wurde ein Berechnungskonzept entwickelt, was die intermetallischen Phasen als Bemessungsgröße berücksichtigt. Die Erkenntnisse konnten auf bauteilähnliche Werkstücke angewendet und auf weitere Verbindungen übertragen werden.Steel is supplemented by aluminum alloys in lightweight structures. Joining technology plays a key role here. The materials have different thermophysical properties, which makes welding very difficult. The formation of intermetallic phases during welding leads to brittle joint failure at low loads in the case of uncontrolled heat input and inadequate bonding. The ultrasonic element resistance spot welding process allows resistance spot welding to be used as the main joining process. For this purpose, an auxiliary joining element is welded onto the aluminum sheet at the joint by ultrasonic welding, which achieves the connection to the steel through a welding nugget. During resistance heating, intermetallic phases grow in the ultrasonic weld over the process-adjustable temperature-time regime during the resistance welding process. Using a specially developed tensile test specimen, it was possible to determine the joint zone strength after the welding processes had been carried out. It was thus possible to demonstrate that joint failure in combination with the intermetallic phase only occurs when the joining zone strength is lower than the strength of the aluminum material. A total phase thickness of 8 µm was worked out as the limit. It was possible to apply a prediction method for the delimitation of button-out fractures to shear fractures under shear tensile loading to steel/aluminum joints, taking intermetallic phases into account. A calculation concept was developed for the shear and cross tension connections, which takes the intermetallic phases into account as a dimensioning variable. The results could be applied to component-like workpieces and transferred to other joints