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All-inorganic White Light Emitting Devices Based on ZnO Nanocrystals
No full textWeißlichtemitter auf Basis von ZnO Nanokristallen
Es wird erwartet, dass Lichtemittierende Bauelemente mit Nanokristallen (NK) als aktive elektrolumineszierende (EL) Schicht die Zuverlässigkeit und lange Betriebsdauer von konventionellen Halbleitermaterialien mit den flexiblen, großflächigen Technologien organischer Leuchtelemente (OLEDs) vereinen können. Dabei weist ZnO ein hohes Potential als aktive Leuchtschicht in NK-LEDs auf: es ist weit verfügbar und zeigt effiziente Emission sowohl im sichtbaren als auch im ultraviolettem (UV) Bereich des Spektrums. Die Realisierung kosteneffizienter ZnO NK-LEDs bleibt eine große Herausforderung aufgrund der n-Typ Hintergrunddotierung und der großen Bandlücke, was eine effiziente Lochinjektion erschwert. Daher wurden bis jetzt nur wenige ZnO NK-LEDs realisiert, welche im DC-Betrieb bei Spannungen unter 100 V leuchten. Hierfür wurden zusätzliche organische Injektionsschichten verwendet, welche aber gleichzeitig anfällig gegenüber Feuchtigkeit, Sauerstoff und UV Strahlung sind und damit die Lebensdauer der Bauelemente begrenzen.
Der Fokus dieser Arbeit lag auf der Entwicklung komplett anorganischer weißer NK-LEDs auf Basis von industriell hergestellten ZnO Nanokristallen aus der Gasphase. Hierfür wurden zuerst die strukturellen Eigenschaften und die Emissionseigenschaften der ZnO NKs mit Hilfe von Elektronenmikroskopie und Photolumineszenz-spektroskopie (PL) untersucht. Dabei konnte ein möglicher Mechanismus der strahlenden Übergänge, welche das Spektrum im sichtbaren und UV-Berech bestimmen, vorgeschlagen werden. Im nächsten Schritt wurde ein anorganisches Prototyp-Bauelement entwickelt, welches eine Emission im Sichtbarem und UV bei Spannungen unter 10 V gezeigt hat. Wegen des einfachen Designs konnten zum ersten Mal PL, EL und IU-Verhalten der Bauelemente korreliert werden, wodurch ein möglicher Emissionsmechanismus vorgeschlagen werden konnte.
Als nächstes wurde ein fortgeschrittenes Design entwickelt, was auf einer lösungsmittel-prozessierbaren Heterostruktur aus ZnO NK und p-dotierten Si NK basiert. Dadurch konnte die Emissionsintensität um mehr als einen Faktor 15 gesteigert werden. Eine weitere Effizienzverbesserung wurde erreicht, indem eine Mischschicht aus beiden NK in der Mitte der aktiven Schicht eingebracht wurde, was die Balance zwischen den Ladungsträgern verbessern sollte. Die Bauelemente wiesen eine gute Stabilität mit einer Betriebsdauer von mehr als zwei Wochen ohne Verkapselung auf. Zudem zeigten sie eine großflächige weiße EL mit Farbwiedergabewerten (CRI) von bis zu 98.
Abschließend wurden Metalloxid-NK-LEDs entwickelt welche aus leuchtenden ZnO in Kombination mit WO3 in einer Mischschicht-NK-Heterostruktur bestehen. Dabei agiert WO3 als natürlicher Elektronenextraktor (Lochgenerator) was bis jetzt im Zusammenhang mit ZnO nicht verwendet wurde. Die Bauelemente zeigten eine sehr gleichmäßige weiße Emission mit Farbwiedergabewerten um 92 und einer externen Quanteneffizienz von bis zu 2•10-4 %, welche bis jetzt die höchste im Fall von anorganischen ZnO NK-LEDs ist.Light emitting devices with nanocrystals as an active electroluminescent layer (NC-LEDs) are expected to combine reliability, long operating lifetime and high optical quality of semiconductor material systems with the low cost, easy handling and flexible large-area technology of organic light emitting devices (OLEDs). ZnO reveals a high potential for the luminescent active layer in NC-LEDs because this material is widely available and allows efficient emission in the visible (defect-related) and the ultra violet (UV) spectral range (band-gap-related). The realization of cost-effective ZnO NC-LEDs remains challenging mainly due to its n-type background doping and its wide band gap, hindering an efficient hole injection. So far, only ZnO NC hybrid LED devices with organic hole injection layers demonstrated electroluminescence (EL) at voltages below 100 V in the DC regime. However, organic support layers are quite sensitive against humidity, oxygen and UV exposure, and therefore limit the lifetime of these devices.
The main focus of this work was the development of all-inorganic white NC-LEDs based on commercially synthesized ZnO nanoparticles from the gas phase. For this purpose structural and luminescent properties of the ZnO NCs were studied by means of electron microscopy and power and temperature dependent photoluminescence (PL) spectroscopy. Thereby a possible origin of the different radiative transitions, forming the luminescent spectra of the NCs in the UV and the visible spectral range, was proposed. In a second step, organic free ZnO archetype NC-LEDs were developed, which showed both visible and UV EL at voltages below 10 V under ambient air conditions. In addition, the simple device design enabled for the first time a direct correlation between the defects in ZnO nanocrystals and the I-V, PL and EL properties of the corresponding devices, allowing a suggestion of the EL mechanisms.
Subsequently an advanced all-inorganic NC-LED design was developed combining p-doped Si NCs with ZnO NCs in a solution-processible heterojunction device. Thereby the EL intensity could be increased by the factor of more than 15. An additional efficiency enhancement was achieved by introducing a mixed p-Si / ZnO layer in the center of the active region in order to optimize the electron-hole balance. The devices demonstrated good stability while being under constant operation for over two weeks in ambient air without any encapsulation. White large-area emission with color rendering index (CRI) values up to 98 was achieved.
Finally, all-metal-oxide white NC-LEDs were developed by combining luminescent ZnO NCs with WO3 NCs, which act as a natural electron extractor (hole generator) in a mixed NC heterojunction approach. The first devices showed highly uniform large-area white emission with CRI of 92 and an external quantum efficiency up to 2•10-4 %, which is so far the highest reported value for all-inorganic ZnO NC-LEDs
Geometrical Modeling and Numerical Simulation of Heterogeneous Materials
No full textThe discretization of the considered body or material by finite elements is a crucial part of the Finite Element Method in addition to the material modeling and the
element formulation. Thereby, the treatment of heterogeneous materials is an advanced challenge, because the interfaces between the individual constituents must be taken into account in addition to the free surfaces. In many materials these interfaces exhibit complex geometries, since they are built up in growth and transformation processes. In the present work the numerical analysis of such materials is presented starting from the geometrical construction and ending up with the evaluation of the computational results. The first part is concerned with the simulation of diseased blood vessels and focusses on the reconstruction of patient-specific arterial geometries. The results of two- and three-dimensional finite element simulations show the field of application of the presented method. The consideration of the heterogeneity of modern two-phase steels in the numerical simulation is given in the following part of the present work. Therein the focus is on the application of geometrically simplified structures, which exhibit a similar mechanical response compared to the real microstructure. The applicability of the proposed method is shown in different boundary value problems using a direct micro-macro transition approach.Bei Simulationen unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode spielt neben der Materialmodellierung und Elementformulierung die Diskretisierung des zu untersuchenden Körpers oder Materials durch finite Elemente eine große Rolle. Diese Aufgabe wird erschwert, wenn es sich um heterogene Materialien handelt. Bei diesen müssen zusätzlich zu den äußeren freien Oberflächen die inneren Grenzschichten zwischen den jeweiligen Individuen berücksichtigt werden. In vielen Materialien sind diese Grenzflächen durch Wachstums- oder Umwandlungsprozesse entstanden, können somit auch komplexe Strukturen aufweisen und erschweren die geometrische Beschreibung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich im Wesentlichen mit der numerischen Analyse solcher Materialien ausgehend von der Konstruktion der Geometrien bis hin zur Auswertung der
Simulationsergebnisse. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation von erkrankten Blutgefäßen und geht dort vor allem auf die Rekonstruktion von patienten-spezifischen Arteriengeometrien ein. Die Ergebnisse von zwei- und dreidimensionalen FE-Berechnung verdeutlichen das Einsatzgebiet der vorgestellten Methodik.
Die Berücksichtigung der Heterogenität moderner Zweiphasenstähle in der numerischen Simulation wird im anschließenden Teil der Arbeit vorgestellt. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf dem Einsatz von geometrisch vereinfachten Ersatzstrukturen, die ein vergleichbares mechanisches Antwortverhalten zur realen Mikrostruktur liefern. Die Anwendbarkeit dieser Methode wird in verschiedenen Randwertproblemen unter Einsatz eines direkten
Mikro-Makro Übergangs gezeigt
Advanced computer simulations of nafion / water systems
No full text
Perfluorinated membranes are used in particular in polymer electrolyte fuel cells
(PEFC). The well-known ionomer Nafion® (Dupont) is, due to its high proton mobility,
a reference material for fuel cell applications. In water or other hydrophilic solvents the
membrane segregates into a hydrophobic backbone matrix and a hydrophilic sub-phase
containing clusters of both water and ions, where the cluster sizes and connectivity increase
with increasing water content [1].
What is the Nafion morphology and the structure of the solvent in such systems? It has
been shown recently [2] on large simulated systems that several morphological models
fit the experimental scattering data, suggesting the inability of scattering experiments
alone to elucidate the true structure of Nafion. However, a ’random’ model described
in [2], i.e. the only explored model that did not assume a particular initial structure,
could not reproduce the experimental data.
It remains a real computational challenge to generate in molecular simulations system
configurations which are really decorrelated from the initial one. The time scales that
can be achieved simply do not allow to obtain significant motions of the polymer (e.g.
conformational changes, folding, etc.). We thus propose in this work a new random
model of Nafion. A newly developped algorithm is used to generate Nafion chains with
random growth paths and random starting points. A significant difference with the
random model in [2] is that we do not build our systems at a density close to the final
one. In order not to start with too much entangled chains, the systems are initially
built at a density below the experimental one. The density after equilibration is again
close to the experimental one.
Even though further improvements of the new algorithms can easily be envisaged,
we demonstrate here that with the present version several sets of configurations that
are compatible with the available scattering data can be generated and equilibrated.
Twelve large random Nafion systems are built with different initial positions of the
atoms as well as different water contents and side chain lengths (Nafion/Hyflon). They
are equilibrated and then simulated for several ten nanoseconds. After equilibration,
the structures are, as mentioned, compatible with the experimental scattering data. In
addition we study a model similar to the one by Schmidt-Rohr and Chen [3], i.e. the
newest morphological model of Nafion. The experimental scattering data are also satisfactorily
reproduced with this model, hence, the prolonged debate over the structure of Nafion.
This agreement gives confidence that a more detailed analysis of the so-obtained configurations
is scientifically warranted. We characterize and analyze the local, intermediate
and large-scale structures by various structural parameters and domain size distributions.
We therefore compute, for example, radial distribution functions (rdf), total and partial structure factors (S(q)) as well as numbers and sizes of hydrophilic clusters (depending
on the definition of a cluster). The dynamics of various species in the system
is also investigated, e.g. via the computation of the mean square displacements (msd)
and the self-diffusion coefficients. These simulations are probably at the limit of what
can today be achieved with all-atom molecular simulations of the MD type. We hope
that this work will advance the ongoing debate on the structure and dynamics of these
important materials.
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Numerical and experimental investigation of the unsteady flow field of vortex shedding flowmeter configurations
No full textIn dieser Dissertation mit dem Titel „ Numerische und experimentelle Untersuchung der instationären Strömungsfelder von Wirbelzählerkonfigurationen“ geht es um die numerische Berechnung von Wirbelzählern, aber auch um die mathematische Erfassung von Strömungsstörungen mittels bestimmter K-Parameter. Diese Arbeit kann in zwei Hauptbereiche unterteilt werden. Im ersten Teil werden die instationären Strömungsfelder von Wirbelzählerkonfigurationen unter symmetrischen Zuströmbedingungen untersucht, wobei der Einfluss von geometrischen Modifikationen untersucht worden ist. Durch eine spezielle Bauform des Störkörpers können an der Grenzfläche zwischen Rohrwand und Störkörper eine bestimmte geometrische Modifikation wie z.B. eine Tasche oder Sockel entstehen, die das Strömungsfeld in einer gewissen Weise beeinflussen. Desweiteren sind Modelluntersuchungen durchgeführt worden, um bei den Berechnungen die richtigen Modellparameter zu identifizieren. Infolgedessen sind die kompressiblen und inkompressiblen Strömungsfelder von Wirbelzählern untersucht worden. Die numerischen Ergebnisse sind mittels experimentelle Messungen validiert worden. Auch der Einsatz von anderen Störkörperbauformen wie Gewindestörkörper wird hier numerisch und experimentell untersucht.
Bei Betrachtung von industriellen Anlagen von heute wird festgestellt, dass die Rohrleitungssysteme kompakt und komplex aufgebaut sind. Eine Vielzahl von strömungstechnischen Anordnungen wie Kugelventile, halbe Absperrvorrichtungen aber auch Rohrkrümmer sind in solchen Anlagen vorzufinden, die das Strömungsfeld in einer gewissen Weise stören. Um die für die Produktion erforderliche Rohstoffmenge zu kontrollieren, ist der Einsatz von Durchflussmessgeräten in solchen Anlagen erforderlich, die mit einer hohen Messgenauigkeit operieren müssen. Aufgrund von Strömungsstörungen, die durch strömungstechnische Anordnungen verursacht werden, wird das Strömungsfeld von Wirbelzählern beeinflusst, so dass die Messunsicherheit größer wird. Folglich befasst sich der zweite Teil dieser Arbeit mit der mathematischen Erfassung bzw. Quantifizierung von Störungserscheinungen mittels in der Literatur existierender und im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelter K-Parameter, die durch strömungstechnische Anordnungen wie Kugelventile, exzentrische Reduzier und andere Geräte verursacht werden. Zum Schluss wird der am häufigsten in technischen Anlagen eingesetze Rohrkrümmer mit einem DN 25 Wirbelzähler kombiniert und die Strömungsfelder hinsichtlich Störungen untersucht, was hier einen umfassenden Fall darstellt. Auch der Einfluss eines nachgeschalteten Rohrkrümmers auf die Wirbelablösefrequenz wird hier untersucht. Desweiteren wird eine nützliche Strömungsarmatur, die die Asymmetrie bzw. den Drall in der Strömung im großen Maße entfernt, ein sogenannter Lochplattengleichrichter, auf seine Funktionsweise hin untersucht. Durch den Einsatz dieses Gerätes kann die Störung in der Strömung in einer effektiven Weise entfernt werden.This thesis with the title „ Numerical and experimental investigation of the unsteady flowfield
of vortex-flow-meter configurations“ deals with the numerical calculation of vortex
flow-meters as well as the mathematical capturing or quantification of flow- disturbancies
by using K-Parameters. This work can be devided into two main parts:
In the first part of the investigation the DN 25 vortex flow-meter is investigated numerically
as well as experimentelly. In these investigations the flow at the inlet of the flow-system is
considered as non-disturbed (fully developed velocity-profile at the inlet). In these
unsteady calculations the effect of geometrical modifications on the vortex-sheddingfrequency
is investigated. By using a certain bluff-body in the vortex-flow-meter,
geometrical modifications or protrusions at the side-walls can arise and therefore can have
an affect on the vortex-shedding-frequency. Besides this, the investigation includes a
model-analysis. It is important to choose the correct models in dependence of the
apparent flow type. Thus the compressible and incompressible flow-fields are investigated
to identify the correct model parameters. The numerical results are validated with
experimental measurements.
By considering complex pipe system, which can be found in many industrial applications,
we will see complex and compact installations of the pipes. Many installations of flowsystems
like ball-valves, single-bends and other flow-systems can be found in between of
the pipes, which cause flow-disturbancies in the pipes. In such industrial pipe systems it is
important to control and determine the flow rate through the pipes i.e. to maintain a certain
quality of the production. So the use of flow-meters like vortex-flow-meters, which have a
high accuracy, is essentiel. But the installation of flow-systems like i.e. ball-valves can
deteriorate the accuracy of the flow-meter due to the disturbancies in the flow-field. Thus
the second part of this work deals with the mathematical capturing of such flowdisturbancies
which will be caused by such installations. The disturbances in the flow-field
can be captured by using the so-called K-Parameters, which can be found in the literature.
But in this work some other parameters are developed to get a better capturing of the flowdisturbances
under modelling considerations. At the end of this thesis the influence of a
single-bend on the flow field of a vortex-flow- meter is investigated numerically as well as
experimentally. This investigation includes additionally the effect of downstream installation
of a single bend on the flow-field of the vortex-flow-meter. Besides this, the flow-field of a
flow-straightner is investigated numerically. A single-bend is installed upstream of the flowstraightner.
The main goal is here to reveal the functionality of a flow straightner, which can
effectively remove the asymmetry and swirl in the flow-field
Spin-Polarized Transport in Single-Electron Spin-Valve Transistors
No full textSpinpolarisierter Transport in Einzelelektronen-Spinventil-Transistoren
Die vorliegende Dissertation untersucht den elektronischen Transport durch mesoskopische Bauelemente aus dem Bereich der Spintronik. Dies ist von besonderem Interesse, da derartige Strukturen bereits erfolgreich industriell produziert und genutzt werden und darüber hinaus verspricht man sich von ihnen neuartige informationstechnologische Anwendungen. Hervorgerufen durch den andauernden Trend der Miniaturisierung elektrischer Komponenten haben spinelektronische Bauteile mittlerweile Strukturbreiten im Nanometerbereich erreicht. Allerdings kann man diese Verkleinerung nicht unbegrenzt fortsetzen, da auf den schon heutzutage erreichten Längenskalen die Gesetze der Quantenmechanik die momentane Funktionsweise der Bauelemente mehr und mehr beeinflussen. Daher wird es notwendig sein konzeptionell neuartige Strukturen einzuführen, die Quantenphänomene zu ihrem Vorteil nutzen.
Diesbezüglich bedeutende Beispiele sind ferromagnetische Einzelelektronentransistoren. Sie beruhen auf dem Tunneleffekt, nutzen die Eigenschaften des Elektronenspins und ermöglichen das Schalten sowie Verstärken elektrischer Signale.
Das elektronische Transportverhalten dieser Bauelemente wird durch Einzelelektroneneffekte wie die Coulombblockade oder Coulomboszillationen bestimmt, wobei zusätzliche spinelektronische Phänomene wie die Spinakkumulation und der Tunnelmagnetwiderstand durch strukturinterne magnetische Materialen hervorgerufen werden.
Diese Arbeit behandelt eine spezielle Realisierung ferromagnetischer Einzelelektronentransistoren, nämlich den sogenannten Einzelelektronenspinventiltransistor. Dieser besteht aus einer metallischen Insel die über Tunnelkontakte mit zwei ferromagnetischen Zuleitungen verbunden ist. Zusätzlich ist die Insel kapazitiv an eine Gateelektrode gekoppelt. Basierend auf einem diagrammatischen Realzeit Formalismus entwickeln wir eine sequentielles Tunneln beschreibende Theorie, unter nichtstörungstheoretischer Betrachtung der Coulombwechselwirkung auf der Insel. Im Gegensatz zum Großteil der Arbeiten, die sich mit ferromagnetischer Einzelelektronentransistoren beschäftigen, betrachten wir den allgemeinen Fall nichtkollinearer Magnetisierungsrichtungen der beiden Zuleitungen. Dies bewirkt das Auftauchen neuartiger Transporteigenschaften, die im kollinearen Grenzfall nicht zu Tage treten. Beispielsweise existiert im betrachteten System ein wechselwirkungsinduziertes Austauschfeld, welches den elektrischen Transport nur im Falle nichtkollinearer Magnetisierungen messbar beeinflusst.
Im Einzelnen analysieren wir das Verhalten des auf der Insel akkumulierten Spins, den elektrischen Strom durch das Bauteil sowie die zugehörigen Stromfluktuationen. Dabei beobachten wir ein anspruchsvolles Transportverhalten des Systems hervorgerufen durch das Zusammenspiel von Ladungseffekten und Spinpolarisation. Wir finden eine hohe Empfindlichkeit des Inselspins auf eine Variation der Gatespannung, was die elektrische Steuerung der induzierten Magnetisierung ermöglicht. Desweiteren identifizieren wir die zweite Ableitung des Stroms nach der angelegten Transportspannung als ein mögliches Instrument zur Bestimmung des Grades der Zuleitungspolarisierung. Abschließend sei ausdrücklich betont, dass in unserer Analyse ein wesentliches Augenmerk auf den Auswirkungen des oben erwähnten Austauschfeldes liegt.In the present thesis electronic transport through mesoscopic spintronic devices is investigated. This is particularly interesting since such structures have already proven industrial relevance and they additionally give rise to future information technology applications. As a result of the continuing trend of miniaturization in electronics modern spintronic structures have already reached the nanometer scale. However, a further size reduction may soon be prevented by the laws of quantum mechanics. Hence conceptually new kinds of devices that take advantage of the possibilities of quantum phenomena may need to be adopted.
Prominent examples of such spintronic structures are ferromagnetic single-electron transistors (fm SETs). They rely on quantum tunneling, exploit the intrinsic electron spin, and allow for the switching and amplification of electronic signals in response to a variation of a gate voltage. Their transport behavior is governed by single-charging effects as Coulomb blockade or Coulomb oscillations. Whereas fundamental spintronic effects as spin accumulation or tunnel magnetoresistance are introduced to the structure by the embedded ferromagnetic materials.
This work focuses on a special realization of a fm SET, the so called single-electron spin-valve transistor. It consists of a metallic island that is tunnel coupled to two adjacent ferromagnetic leads and capacitively coupled to a gate electrode. Based on a diagrammatic real-time approach a theory is derived that describes sequential tunneling through this system. The Coulomb interaction on the island is taken into account nonperturbatively. In contrast to most previous works studying fm SETs we consider the general setup with noncollinear angles between the lead magnetization directions. This causes new transport properties that differ from the collinear case. For instance, there is an interaction-induced exchange field present which does not affect the flow of electric charges in the parallel and antiparallel setup. However, for noncollinear lead magnetizations it acts on the spin that is accumulated on the central island resulting in notable variations of the transport properties of the considered system.
We analyze in detail the dynamics of the accumulated island spin, the electric current, as well as the current fluctuations of the single-electron spin-valve transistor. A remarkable transport behavior evoked by the interplay of charging effects and finite spin polarization is observed. For instance, we find a high sensitivity of the accumulated island spin on the variation of the applied gate voltage allowing for controlled electrical manipulation of a macroscopic spin. Furthermore, the second derivative of the current with respect to the bias voltage is demonstrated to be a convenient tool to determine the degree of polarization of the ferromagnetic leads. Finally, we note that in our analysis an emphasis is put on the influence of the interaction-induced exchange field on the system's transport properties
Shear Bands in Granular Materials: Formation and Persistence at Smooth Walls
No full textThis thesis contains numerical studies of rheology and shear characteristics of dense assemblies of granular materials. Beside the various experimental and theoretical studies, which deal with these materials, there is also a wide variety of simulation methods, which are used to study the flow behavior, compaction and other characteristics of granular materials. In this work, the contact dynamics method (CD) has been used to study two-dimensional systems of hard, dry disks. The particles interact by Coulomb friction forces parallel to, and volume exclusion forces normal to the contact surfaces, with collisions being fully inelastic. The shear flow is confined between two parallel, smooth, frictional walls, moving with opposite prescribed velocities. Discrete element simulations, carried out in samples with prescribed normal stress reveal that, unlike rough walls made of strands of particles, absolutely smooth but frictional ones can lead to inhomogeneous shear rate and shear strain localization in boundary layers. These are both caused by slip at smooth walls. Three shear regimes associated with different shear velocity intervals are identified and studied in this work. The transitions between these regimes are essentially independent of system size and occur for specific values of shear velocity. Applying constitutive laws deduced both for the bulk material and the boundary regions supplemented by an elementary stability analysis, the occurrence of both transitions, as well as the characteristic transient times are predicted. Investigating the role of the rotational degrees of freedom of round frictional particles and their microscopic contact properties at smooth walls, a critical microscopic friction coefficient at the walls is identified, below which the walls are unable to shear the system. New distinctive features are observed at this critical point. To perform a finite-size-analysis, simulations with very large systems have been frequently necessary during this thesis. To afford large scale simulations with CD, which are more comparable to real granular systems, within a conceivable time, a fully parallel version of CD is presented in this work. For large enough systems, 100% efficiency is achieved for up to 256 processors using a hierarchical domain decomposition with dynamic load balancing. Compared to the sequential implementation, no influence of the parallelization on simulation results is found.Scherbänder in granularer Materie: Entstehung und Stabilität an glatten Wänden
Diese Arbeit behandelt die numerische Untersuchung der Rheologie und Schereigenschaften granularer Materie aus runden Teilchen. Neben den vielfältigen experimentellen und theoretischen Arbeiten, die sich mit dieser Materie beschäftigen, gibt es unterschiedliche Simulationsmethoden mit denen das Fließverhalten, die Kompaktierung und andere Eigenschaften granularer Materie untersucht werden. In dieser Arbeit wurde die Kontakt-Dynamik-Methode (CD) zur Untersuchung eines zweidimensionalen Systems aus granularer Materie angewandt. Die Teilchen sind starre Scheiben und die einzigen Kontaktkräfte zwischen diesen sind die Coulombsche Reibungskraft parallel und Volumenausschluss-Kräfte senkrecht zur Kontaktfläche. Die Teilchen befinden sich in einem System mit planarer Geometrie, das von oben und unten durch zwei parallele Wände begrenzt ist. Der Druck und die Schergeschwindigkeit sind in jeder Simulation fest vorgegeben und bleiben während der gesamten Simulation konstant. In dieser Arbeit werden, im Gegensatz zu vielen aktuellen Untersuchungen, absolut glatte, mit Reibung versehene Wände zur Scherung benutzt. Diese führen zu sehr inhomogenen Scherraten im System mit deutlicher Scherlokalisierung an den Wänden, die durch den Schlupf an diesen verursacht wird. Drei unterschiedliche Scherregime werden hierbei beobachtet. Jedes dieser Regime gehört zu einem wohldefinierten Intervall der Schergeschwindigkeit, das hauptsächlich von der Systemgröße unabhängig ist. Sowohl die Eigenschaften dieser drei Regime als auch die beiden Übergänge zwischen Ihnen werden detailliert in Kapitel 6 behandelt. In Kapitel 7 werden die konstitutiven Gesetze separat im Bulk und in den Grenzgebieten zu den Wänden hergeleitet. Anhand dieser konstitutiven Gesetze und ergänzender elementarer Stabilitätsanalysen wird das Vorkommen beider Übergänge, sowie charakteristische Transientenzeiten vorausberechnet. In Kapitel 8 wird eine kritische Mindestgröße des Reibungskoeffizienten an glatten Wänden festgestellt, die das Scheren ermöglicht. Bei diesem kritischen Reibungskoeffizienten wird ein besonderes Verhalten des Systems im quasistatischen Regime beobachtet, über welches zuvor noch nicht in der Literatur berichtet worden ist. In Kapitel 9 wird über eine erfolgreiche Parallelisierung der CD berichtet. Diese ermöglicht Simulationen in größeren Systemen, eher vergleichbar zur realen Systemen, die ebenso für die ``Finite-Size-Analyse'' notwendig sind
Prosoziales Verhalten von Helfern im Non-Profit-Bereich dargestellt am Beispiel von Teilnehmern/-innen des Projekts „be-my-angel“, Verkehrssicherheitsprojekt Schutzengel im Kreis Gütersloh/NRW
No full textDurch das Ansprechen eines Jungen Fahrers, der unter dem Einfluss von Alkohol/Drogen oder mit überhöhter Geschwindigkeit ein Fahrzeug führt, zeigen junge Menschen ein prosoziales Verhalten. Die vorliegende Forschungsarbeit beschäftigt sich mit den zu Grunde
liegenden Motiven dieses Verhaltens.
Im Kreisgebiet Gütersloh war die Anzahl der verunglückten Jungen Fahrer im Jahr 2007 alarmierend hoch. Um die Zahl der Verkehrsunfälle mit Beteiligung von Jungen Fahrern zu senken, wurde das Schutzengelprojekt „be-my-angel“ installiert.
Die Wirkungsweise des Projekts Schutzengel beruht auf der Annahme, dass die Peergroup einen starken Einfluss auf das Verhalten Gleichaltriger hat. Als Anreiz erhalten die Schutzengel nach ihrer Registrierung im Projekt einen Ausweis, der ihnen Rabatte und
Vergünstigungen bei Projektsponsoren ermöglicht.
Zentrales Forschungsinteresse der vorliegenden Untersuchung war es, die Beweggründe der jugendlichen Schutzengel, sich dieser verantwortungsvollen Aufgabe zu stellen, zu erfassen und Handlungsempfehlungen zur Gewinnung neuer und Unterstützung bereits registrierter Schutzengel zu formulieren.
Beim Jungen Fahrer trifft das typische Anfängerrisiko mit jugendspezifischen Risiken zusammen und führt somit häufig zu Verkehrsunfällen. Diese sollen durch das Handeln der Schutzengel verhindert werden, indem sie kommunikativ auf den Jungen Fahrer einwirken, um ihn von seinem gefährlichen Verhalten abzuhalten.
Dieses Handeln ist als prosoziales Verhalten zu qualifizieren. Theoretisch wird dieses Verhalten mit Erkenntnissen zum helfenden Verhalten begründet, die sich aus klassischen sozialpsychologischen Theorien ergeben.
Bei den sozialpsychologischen Theorien wird zwischen personalen und situativen Einflussfaktoren auf das Verhalten differenziert. Bei den personalen Einflussfaktoren entscheiden individuelle Unterschiede der einzelnen Personen darüber, ob prosoziales Verhalten gezeigt wird. Dargestellt werden vor diesem Hintergrund das Empathie-
Altruismus-Modell, die Theorie der kognitiven Dissonanz und der Einfluss von Kompetenz und Kenntnissen auf das Verhalten.
Situative Faktoren beeinflussen in der konkreten Situation das Handeln von Personen. Betrachtet werden in diesem Zusammenhang der Bystander-Effekt, das Modelllernen sowie die Einflüsse vorherrschender Stimmung und antizipierter Kosten.
Es werden verschiedene Untersuchungs- und Forschungsfragestellungen formuliert. Die einzelnen Fragestellungen beziehen sich im Wesentlichen auf die Erfahrungen, die von den
Projektteilnehmern mit ihrem Einschreiten als Schutzengel gesammelt wurden, Gründe für ein mögliches Nichteinschreiten, die Bedeutung des Schutzengelausweises, die Häufigkeit der Inanspruchnahme von Rabatten sowie auf mögliche Unterschiede zwischen Projektteilnehmern aufgrund soziodemografischer Verschiedenheiten. Sie leiten sich aus den zugrunde gelegten Theorien ab und prüfen insbesondere den Einfluss der individuell empfundenen Handlungsverpflichtung, der vorherrschenden Stimmung und der Anwesenheit anderer Personen in der Situation.
Durchgeführt wurde die Untersuchung mit Leitfadeninterviews, die der Grundidee des problemzentrierten Interviews folgt. Es wurden 56 telefonische und persönliche Interviews geführt, die vollständig verschriftet und mittels der Softwareanwendung MaxQDA10
systematisch mittels des Verfahrens der qualitativen Inhaltsanalyse ausgewertet wurden.
Die Untersuchungsergebnisse wurden den Erkenntnissen einer parallel durchgeführten Onlinebefragung mit 3.074 ausgewerteten Datensätzen gegenübergestellt, die in den wesentlichen Punkten zu vergleichbaren Ergebnissen führte.
Die Motivation zur Teilnahme am Projekt ist auf die Absicht, einen Beitrag zur Verkehrssicherheit zu leisten, zurückzuführen. Bereits mehr als die Hälfte der Befragten konnte schon einmal erfolgreich einen Jungen Fahrer von seinem risikoreichen Verhalten abbringen. Auch diejenigen Schutzengel, die noch keine Gelegenheit hatten, als solche
einzuschreiten, gaben an, als Schutzengel einschreiten zu wollen. Es wurde durchgehend von positiven Erfahrungen mit dem Handeln als Schutzengel berichtet.
Hervorzuheben ist, dass die Anwesenheit anderer Personen die Schutzengel nicht von ihremVorhaben, einzuschreiten, abhält. Es kann eine Umkehrung des Bystander-Effekts nachgewiesen werden. Mit der vorliegenden Untersuchung wird gezeigt, dass Umstehende
den Schutzengel bei seinem Einschreiten unterstützen. Dieser wird durch die Anwesenheit der anderen Personen nicht in seinem Verhalten gehemmt, sondern fühlt sich zum Einschreiten
verpflichtetet.
Darüber hinaus wurden Handlungsempfehlungen formuliert, die darauf abzielen, die Handlungssicherheit der Schutzengel zu stärken und die Projektkonzeption zu optimieren.By addressing young drivers, who are under the influence of alcohol or drugs, or who are driving at excessive speed, young people display a pro-social behaviour. The present research study deals with the underlying motives of this behaviour.
In the District of Gütersloh, the number of accidents involving young drivers was alarmingly high in 2007. The guardian angel project "be-my-angel" was implemented in order to reduce the number of accidents involving young drivers.
The mode of action of the guardian angel project is based on the assumption that a peer group has a strong influence on the behaviour of its peers. As an incentive, the guardian angels receive a card at registration, which qualifies them for discounts and reductions at project sponsors.
The main research aim of the present study is to record the motives of these young guardian angels to take on this responsible task and the formulation of actions for recommendation for the winning of new guardian angels as well as for the support of existing registered guardianangels.
Young drivers are subjected to the typical beginner risk in combination with youth specific risks which often result in traffic accidents. These should be prevented by the actions of the guardian angels through communicative influence on young drivers, in order to deter him/her from his/her dangerous behaviour. This action qualifies as pro-social behaviour.
In theory, this behaviour is explained with the findings on helping behaviour, which are based on the results of classic social-psychological theories.
Social-psychological theories differentiate between personal and situational factors of
behaviour. In the personal factors, individual differences of each person decide whether a prosocial behaviour is demonstrated. In this context, the empathy-altruism model, the theory of cognitive dissonance and the influence of competency and knowledge on behaviour is represented.
Situational factors influence the action of people in a specific situation. The Bystander effect to include the model learning and the influence of the prevailing mood and anticipated costs are also examined.
Various research questions are formulated. The individual research questions relate primarily to the experience gathered by the project participants as guardian angels, the reasons for potential non-interference, the importance of the guardian angel card, the frequency the discounts are made use of and the potential differences between project participants based on socio-demographic differences.
The research questions are derived from the underlying theories and examine in particular the influence of the individually experienced obligation of action, the prevailing mood and the presence of other persons in the situation.
The study was conducted with guided interviews which follow the basic idea of the problemcentred interview. A total of 56 telephone and personal interviews were conducted. They were fully documented and systematically assessed with the software application MaxQDA10 by the method of qualitative content analysis.
The study results were compared to the findings of an online survey of 3,074 assessed data sets which ran parallel and resulted in similar results in the essential points.
The motivation to participate in the project can be attributed to the intention of contributing to road safety. More than half of the respondents had already been able to successfully dissuade a young driver from risky behaviour. Also, the guardian angels who had not yet had the opportunity to intervene indicated that they intend to intervene as a guardian angel. All throughout, positive experiences of acting as guardian angels were reported. It must be pointed out that the presence of other people does not prevent the guardian angels from their intention to intervene as guardian angels. A reversal of the bystander effect could be verified. The present study demonstrates that bystanders support guardian angels when intervening. The guardian angel is not inhibited by the presence of other people, but rather
feels obliged to intervene.
Based on the research study findings, recommendations for action have been formulated which are aimed at strengthening confidence in taking action and optimisation of the project design
Global Governance in the field of humanitarian assistance, UN coordination in complex emergencies since the end of the Cold War: Modes of operation and Need for Reform
No full textSeit dem Ende des Ost-West-Konflikts ist das Wort ‚humanitär’ zu einem Schlüsselbegriff der internationalen politischen Rhetorik und des sich entwickelnden Völkerrechts geworden. Nach der Beendigung der politischen Blockade der fünf Veto-Mächte im UN-Sicherheitsrat Ende der Achtzigerjahre, hat der Rat deutlich mehr zivil-militärische ‚humanitäre Interventionen’ als zuvor mit der Aufgabe mandatiert, Gewaltkonflikte zu beenden, einen Friedensprozess zu initiieren und zu begleiten und Menschen in diesen Krisengebieten mit humanitärer Hilfe zu unterstützen. Trotz der Zunahme von UN-Missionen waren der UN-Sicherheitsrat und andere internationale Gremien in vielen Fällen aber nicht in der Lage, systematische Verbrechen gegen die Menschlichkeit, Kriegsverbrechen und Völkermord zu verhindern und überlebende und notleidende Menschen rechtzeitig humanitär zu versorgen.“Global Governance in the field of humanitarian assistance,
UN coordination in complex emergencies since the end of the Cold War:
Modes of operation and Need for Reform”
Serious problems facing the civil-military humanitarian ‘Operation Provide Comfort’ in Northern Iraq in 1991 and 1992 were a main reason for the decision of the UN General Assembly to establish new UN structures for the coordination of international humanitarian assistance in complex emergencies and natural disasters in December 1991. The GA assigned extensive administrative, financial and political tasks to these structures which are composed of the ‘Emergency Relief Coordinator (ERC)’, the ‘Department of Humanitarian Affairs (DHA)’, renamed as ‘Office for the Coordination of Humanitarian Affairs (OCHA)’ in 1998, the ‘Inter-Agency Standing Committee (IASC)’, and the 1998 established ‘Executive Committee for Humanitarian Assistance (ECHA)’. The main operational humanitarian organisations at the international level are UN agencies (UNHCR, UNICEF, WFP, UNDP), NGOs and the International Red Cross and Red Crescent Movement. Although the UN coordination structures have been reformed several times during the last twenty years, they are still not capable to fulfil their tasks defined by the GA. The key questions of the dissertation are:
- What are the functions and instruments of humanitarian UN coordination structures in complex emergencies?
- Why can they only partly fulfil their tasks even though they have been reformed several times by the GA since 1991?
- What conclusions can be drawn for a reform agenda that aims to establish effective international humanitarian coordination structures in complex emergencies?
To specify the modes of operation and impact of UN humanitarian coordination structures the dissertation is analysing
- the power resources of donor states, private humanitarian organisations and relevant stakeholders in UN humanitarian coordination structures;
- the degree of institutionalisation of UN humanitarian coordination structures;
- and their scope and impact on international humanitarian assistance in complex emergencies.
The power resources are measured by using the following indicators: financial resources; operational capabilities; sanctions and enforcement instruments; legal status; and discursive power/campaign capabilities. The degree of institutionalisation of UN humanitarian coordination structures is measured by the following indicators: relevance of participating stakeholders; degree of successful integration of new players; precision of formal rules and norms; binding force of these rules and norms; and the quality of sanctions and enforcement instruments, of complementary division of work, of operational implementation and of financial coordination. The scope and impact of these structures are measured by comparing humanitarian assistance which is provided inside and outside the humanitarian UN coordination structures, and by analysing the degree of instrumentalisation (politisation, securitisation and militarisation) of humanitarian assistance and UN coordination structures. As a result of these analyses it is possible to specify the governance-form of the UN coordination structures along the three modes of non-hierarchical, hierarchical and competitive governance.
The data collection is based on the analysis of primary literature (resolutions of the GA and the UN Security Council, reports on ‘Strengthening of the coordination of emergency humanitarian assistance’ of the UN Secretary-General, publications of OCHA and UNHCR) and secondary resources. Four case studies are illustrating the strengths and weaknesses of different types of UN humanitarian coordination structures at the country level and the growing tendency of instrumentalisation of humanitarian assistance in ‘integrated’ UN-Missions. The ‚lead agency’-type of humanitarian coordination was used in Ex-Yugoslavia (1991-1995) and Kosovo (1999). In the African Great Lakes Region/Rwanda (1994-1998), several regional and national ‘Humanitarian UN-Coordinators’ and ‘Humanitarian Coordinators/Resident Coordinators’ were established. The fourth type of coordination is represented by the ‘Deputy Representative of the Secretary-General’, the deputy leader of an ‘integrated’ UN-Mission who also holds the HC/RC-function. This is illustrated by case studies on Sudan (2003-2011) and Afghanistan (2002-2011)
The Labour Supply and Distributional Effects of Welfare Reforms
No full textDie Steuer-Transfer-Mikrosimulation ist als Methode zur Ex-ante-Evaluation von Politikmaßnahmen inzwischen anerkannt und wird hier auch bei einer Vielzahl von Fragestellungen, die eine Reform des bestehenden Steuer- und Transferrechts betreffen, eingesetzt. Als Standard hat sich ein arithmetisches statisches Modell mit Verhaltensänderungen und einem unitären Haushaltskonzept etabliert. Obwohl das Standardmodell in dieser Form etabliert ist, weist es dennoch auch erhebliche Defizite auf.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist nun zum einen methodischer und zum anderen inhaltlicher Natur:
Erstens soll das Standardmodell um die fehlenden Komponenten a) Unfreiwillige Arbeitslosigkeit und b) random parameters logit-Modell sowie ein Wohlfahrtsmodul erweitert werden. Zur Darstellung der Wohlfahrtseffekte werden die Konzepte der kompensatorischen und äquivalenten Variation verwendet. Diese erlauben eine monetäre Darstellung des Wohlfahrtsgewinns oder -verlustes. Daneben wird ein parametrisches Bootstrap-Verfahren der Arbeitsangebotseffekte implementiert, um somit einen Konfidenzbereich der zu erwartenden Effekte darstellen zu können. In einem zweiten Schritt werden in der vorliegenden Arbeit die genannten methodischen Erweiterungen in ihrer Kombination erstmals einer genaueren Analyse von Reformoptionen des sozialen Sicherungssystems verwendet, um diese mit den bisher existierenden Studien zu vergleichen und möglicherweise neue Erkenntnisse in der Beurteilung dieser Reformen zu liefern. Hierzu wird auf Basis des Papiers (Clauss/Schnabel 2008) die Reform des Grundsicherungssystems, namentlich Hartz IV, untersucht. Als zweite große Reformvariante dient das Solidarische Bürgergeld nach dem Vorschlag von Dieter Althaus auf Basis des Papiers (Horstschräer/Clauss/Schnabel 2010). Als letzte Reformoption wird die Einführung einer Kinderkomponente für Geringverdiener analysiert (Schnabel et al., 2007).
Die Ergebnisse zeigen, dass es zu merklichen Unterschieden in den Angebotselastizitäten kommt. Zwar neutralisieren sich die Wirkungen von random parameters logit und unfreiwilliger Arbeitslosigkeit beispielsweise bei Paarhaushalten, sodass man nicht deutlich vom Standardmodell entfernt liegt, bei Single-Frauen gilt dies jedoch nicht. Darüber hinaus zeigen die Angebotselastizitäten innerhalb bestimmter Teilgruppen eindeutigere Unterschiede. Trotz der methodischen Erweiterungen und Neuerungen kommt es aber zu keinen wesentlichen Änderungen der qualitativen Ergebnisse der jeweiligen Reformen. Dennoch sollte vor allem bei kleineren Reformen, die nur bestimmte Personengruppen betreffen (z.B. Singlefrauen, Alleinerziehende, Alleinerziehende mit Kleinkindern unter 3 Jahren), die Interpretationen einem Robustheitstest unterzogen werden. Daher ist es hilfreich und wichtig, an dieser Stelle auch andere Schätzmodelle zu verwenden, um sicherzustellen, dass sich die qualitativen Aussagen auch wirklich nicht ändern.Tax-benefit microsimulation has become a standard method of evaluating political reforms ex-ante and is considered here in relation to various questions regarding the reform of the existing tax and benefit system. The standard model uses an arithmetic static model with a unitary household concept, and allows for behavioural reactions on the labour supply side. Although this model has become widely established, it also reveals a number of drawbacks.
The aim of this work is both methodological and contentual in nature:
Firstly, the standard model should be expanded to also include the missing components a) involuntary unemployment and b) a random parameters logit model, as well as a welfare module. In order to demonstrate the welfare effects the concept of compensating and equivalent variation is applied. This concept allows a monetary representation of a welfare gain or loss. Alongside these further developments, a parametric bootstrap method is implemented to calculate the anticipated labour supply effects in a confidence interval.
Secondly, the methodological improvements are applied the first time in combination in this work to analyse several welfare reform concepts, and to compare them with the existing studies based on the standard model approach, as this could lead to new insights or interpretations of the evaluation of the reforms. For this purpose, reform of the basic unemployment support system, namely Hartz IV, is evaluated based on the paper by Clauss/Schnabel 2008. A second major welfare reform that is also analysed is the unconditional basic income as proposed by Dieter Althaus, which was the focus of the paper Horstschräer/Clauss/Schnabel 2010. The final welfare reform analysed is the introduction of a child benefit supplement for low-income families, based on Schnabel et al. 2007.
The results reveal noticeable differences especially in the labour supply elasticities. Although the effects of the random parameters logit model and the involuntary unemployment seem to neutralise each other, especially for couple households, so that the effects are near to the standard model, for single women households this finding is not true. In addition to this general finding the labour supply elasticities also show noticeable differences among certain subgroups of the population. Despite the methodological expansion and improvement of the model, the qualitative results show no remarkable changes as compared to the standard model. This leads to the conclusion that perhaps not for large but for small welfare reforms or reforms targeted at certain subgroups of the population (e.g. single women, single parents, single parents with small children under 3 years) the interpretations should be subjected to a robustness test. It is therefore expedient and important to apply other estimation models here, in order to ensure that the qualitative findings remain unchanged
Injection Moulding of Electrically Conductive Thermoplastics: Process Technology and Modeling
No full textAnhand der erarbeiteten Zusammenhänge zwischen Prozessparametern des Spritzgießprozesses und der elektrischen Leitfähigkeit spritzgegossener Formteile aus hochgefüllten Thermoplasten, können definierte elektrische Leitfähigkeiten ermöglicht werden. Die Ergebnisse können zu verschiedenen Schlussfolgerungen führen. Einerseits ist es möglich, ausgehend von einer Materialrezeptur, den Materialwiderstand drastisch zu reduzieren und ein optimal leitfähiges Formteil zu erzeugen, andererseits kann der Verarbeitungsprozess vereinfacht werden. Je nach Anforderung eines Produktes hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit, wofür es bereits materialseitige Lösungen gibt, können nun Compounds mit einem geringeren Füllstoffgehalt eingesetzt werden. Das dargestellte Optimierungspotential bietet die Möglichkeit, den Gesamtfüllstoffanteil um 5-10 % zu senken. Die Senkung des Füllstoffanteils ist förderlich für die Fließfähigkeit der Compounds. Dies unterstützt einen robusten Spritzgießprozess sowie die Möglichkeit, Standardspritzgießmaschinen einzusetzen. Diese Vorteile bringen ein deutliches Kosteneinsparpotential mit sich, da sowohl der Materialbedarf für hochpreisige Füllstoffe sowie hohe Investitionskosten für Maschinen gesenkt werden können.
Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich bei einem Vergleich zweier Compounds, die sich nur durch den Sekundärfüllstofftyp (Ruß oder CNT) unterscheiden, unterschiedliche elektrische Eigenschaften ergeben. Bei diesem Vergleich konnten durch die Verwendung der CNTs geringere Materialwiderstände erzielt werden. Auch die Fließfähigkeit von Material 2 wurde anhand mehrerer Prozessmessdaten positiv bewertet. Aus diesem Ergebnis ergibt sich das Potential, größere spritzgegossene Formteile zu fertigen, als es bislang möglich war. Für die Beispielanwendung BPP bedeutet eine größere aktive Fläche gleichzeitig einen Sprung im Leistungsniveau einer PEM-BZ.
In der Vorstellung verschiedener Strategien zur Materialmodellbildung wurde die in der Industrie häufig verwendete Vorgehensweise der Werkzeugkonstruktion für die Auslegung eines Spritzgießwerkzeuges vorgestellt. Es wurde eine Strategie entwickelt, die Spritzgießprozesse für neue Kunststoffe oder Compounds in der Spritzgießsimulation abbildet. Die Berücksichtigung prozessrelevanter Einflüsse und Detailbetrachtungen bei der Ermittlung der Stoffdaten verhalfen in Kombination mit den ausgewählten Simulationsvariablen zu einer Kalibrierungsmöglichkeit. Im vorgestellten Fall wurde der Verlauf der Werkzeuginnendruckkurve als Zielkriterium definiert. Die erfolgreiche Kalibrierung ermöglichte die zeitlich korrekte Berechnung der Formfüllung eines Spritzgießprozesses.
Aufgrund der erfolgreichen Darstellung der Kalibrierungsfähigkeit anhand ausgewählter Prozessdaten können fortan Prognoseberechnungen durchgeführt werden, die bei der Auslegung neuer Werkzeugkonzepte Entwicklungszeiten einsparen, z. B. für größere BPP. Auch alle weiteren bekannten Vorteile der Spritzgießsimulation sind nach erfolgreicher Kalibrierung einsetzbar. Die Prognose der Bauteileigenschaften geht aus der Spritzgießsimulation nicht direkt hervor, jedoch kann das erarbeitete Wissen aus den experimentellen Untersuchungen bei der Konstruktion neuer spritzgegossener Produkte hilfreich sein.
Bei der Bearbeitung dieser Themen, sind viele neue Ideen generiert worden, die nicht im Rahmen dieser Arbeit umgesetzt werden konnten, aber für zukünftige Aktivitäten interessant sind. Zur weiteren Reduzierung der Herstellungskosten einer BPP ist es unumgänglich, den finalen Nachbearbeitungsschritt (Schleifen oder Fräsen) zu eliminieren. Der grundsätzliche Vorzug des Spritzgießprozesses, keine Nachbearbeitung zu benötigen, muss in diesem Fall wissenschaftlich erarbeitet werden. Ein wichtiger Faktor dafür wird die variotherme Prozessführung sein, wobei es erstrebenswert ist, die Temperaturdifferenz zwischen der Schmelze und dem Werkzeug zu minimieren. Die Randschichtbildung bzw. die Erstarrung von außen nach innen sollte erst dann einsetzen, wenn der Füllvorgang vollständig abgeschlossen wurde. Eine frühzeitige Bildung der Randschicht, wie es aktuell der Fall ist, sorgt für eine Inhomogenität bzgl. der Füllstoffverteilung entlang und quer zur Fließrichtung. Die experimentellen Versuche haben ebenfalls aufgezeigt, dass bei Werkzeugtemperaturen oberhalb 120 °C Prozessveränderungen stattfinden müssen, da sonst Schmelze zurückströmen kann. Dies kann durch eine längere Aufrechterhaltung des Nachdruckes oder durch ein intelligentes Verschlusssystem innerhalb des Werkzeugs erfolgen. Letzteres käme der Reduzierung der Zykluszeit entgegen.
Auf Seiten der Simulation wurde die Ermittlung der rheologischen Stoffdaten als besonders wichtig bewertet. Dabei sind Viskositätsdaten bei sehr kleinen Schergeschwindigkeiten ein Fokus. Die Ermittlung dieser Daten ist jedoch aufgrund von Blockströmung und des hohen Viskositätsniveaus schwierig. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass zum einen der Faktor Nachdruck einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Leitfähigkeit hat und zum anderen die Nachdruckzeit, die gegenüber der Einspritzzeit überwiegt. Für die Simulationssoftware wird der Aufbau eines automatischen Simulationsalgorithmus angestrebt, um Bedienungsfehler zu minimieren und Zeit einzusparen. Die Erweiterung auf mehr als zwei Faktoren zur Kalibrierung, um den Gültigkeitsbereich zu vergrößern, ist durch den Einsatz einer Automatisierung deutlich leichter zu erreichen.
Sowohl das erarbeitete Simulationsmodell als auch die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zur Optimierung von PEM-BZ oder anderen Anwendungen, die hochgefüllte und elektrisch leitfähige Kunststoffe einsetzen.With the resulting correlations between process parameters of the injection moulding process and the electrical conductivity of the moulded parts, it was possible to realize defined electrical properties. The results lead to several conclusions: On the one hand it was possible to reduce the bulk resistivity significantly for reaching an optimised conductive moulded part. On the other hand the presented results enable a simplification of the injection moulding process due to lower filler content.
Depending on the requirements of a product concerning the electrical conductivity, it is now possible to use compounds with lower filler content. This optimising potential enables the opportunity to reduce the filler content about 5-10 %. A reduced filler content helps to increase the flowability of the compound. Furthermore the injection moulding process becomes more robust and the developments enable the use of standard injection moulding machines. These advantages also supply a cost reducing potential due to a lower content of expensive fillers as well as the investment cost difference between standard and special machines.
Moreover a comparison of two compounds with the difference that the secondary filler type was changed from carbon black to carbon nanotubes was demonstrated. Within this comparison material 2 (with CNT) leads to lower bulk resistance. In addition the flowability of material 2 was evaluated in a positive way. With this result it is possible to process moulded parts with a longer flow path. An increased active surface of a bipolar plate leads to an enhanced level of power for fuel cell systems.
By describing different ways for building material models for injection moulding simulation the usual way of working with these simulation tools was explained. In this work a method for including process specific properties and differences due to filled polymers was developed. The consideration of process specific influences by characterizing the material data in combination with simulation variables was helpful for calibrating the material model. In the presented case the curve characteristic of the cavity pressure was the optimisation criterion. Due to successful calibration the correct melt front time was predictable. After the calibration of chosen process settings the opportunity enables for carry out prognosis calculation in the usual way for injection moulding simulation tools. Designing new moulds in a reduced developing time for example for larger bipolar plates are possible. Every other advantage of injection moulding simulation can be used after calibration like air trap or welding lines. A prognosis of moulded part properties is not included in this material and process model. The presented experiences from the experimental part of this work may be helpful for designing new moulds for new electrical conductive moulded parts.
A lot of new ideas could be generated by working on these subjects which are interesting for further investigations and research projects. It is necessary to eliminate the last manufacturing step with machining the plates for removing the insulating polymer layers. This development leads to lower manufacturing costs. Dynamic mould tempering systems seems to be important for further developments in this direction. By decreasing the temperature difference of melt and cavity surfaces the surface layer of polymer can be avoided during injection phase. If the solidification of polymer in the surface layer starts too early it will lead to an inhomogeneous moulded part in and through the flow direction. The experimental investigation of mould temperature also demonstrates a problem by using higher mould temperatures as the crystallisation temperature of the compound. After packing time a backflow was detected with the cavity pressure signal. A longer packing time or a back flow system inside of the mould could solve the problem. The last suggestion has the advantage of a shorter cycle time.
On the side of simulation the characterisation of material data was assessed as an important factor for creating a good working material model. For example shear rheological data in a low shear rate range are in the focus of calculating the packing phase of an injection moulding cycle. Due to a flow without wall adhesion and the high viscosity level the characterisation is more difficult. It was shown that the packing pressure and the packing pressure time have big influences on the electrical conductivity. Furthermore the packing time is many times longer as the filling time why rheological data with low shear rate is very important. For further investigation an automatically working algorithm is recommended for minimising input mistakes of the operator and for saving a lot of time. With an automatic algorithm it is possible to expand the calibration procedure with more than two factors.
The developed material model as well as the experimental results of this work makes a contribution for optimising PEM fuel cell systems or other applications with highly filled or electrical conductive plastics