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Metalle

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14. Cobaltgruppe: Elemente der neunten Nebengruppe

Dieses Kapitel beschreibt die Eigenschaften, Vorkommen, Herstellverfahren und Anwendungen der Elemente der neunten Nebengruppe des Periodensystems (Cobalt, Rhodium, Iridium, Meitnerium) mit ihren wichtigsten Verbindungen. Cobalt wurde 1735 entdeckt, Rhodium und Iridium Anfang des 19. Jahrhunderts. 1982 konnten die ersten Atome des Meitneriums erzeugt werden.Auch bei Rhodium und Iridium ist noch die Auswirkung der Lanthanoidenkontraktion zu beobachten. Die jeweiligen physikalischen Eigenschaften dieser zwei Elemente unterscheiden sich deutlich, kaum aber die chemischen. Die Eigenschaften des Cobalts dagegen weichen von denen der zwei „edlen“ Platinmetalle Rhodium und Iridium deutlich ab, so zeigt Cobalt ein negatives Normalpotenzial sowie niedrigere Dichten, Schmelz- und Siedepunkte. Bei Cobalt ist die Oxidationsstufe +2 die stabilste, bei Rhodium +3 und bei Iridium +4. Kürzlich gelang die Erzeugung von Iridium-VIII- und IX-Verbindungen.Cobaltverbindungen finden schon lange Verwendung in hitzebeständigen Pigmenten sowie zur Bemalung von Porzellan und Keramik. Cobalt erhöht als Bestandteil von Stählen deren Verschleiß- und Hitzefestigkeit. Seine magnetischen Eigenschaften bedingen die Anwendung in Datenträgern.Rhodium findet sich hauptsächlich in Katalysatoren und Schmuckgegenständen. Am Edelmetall Iridium stieg der weltweite Bedarf in den letzten Jahren deutlich, unter anderem bewirkt durch neue Produktionsverfahren der Elektronikindustrie. Es geht in Zündkerzen für in der Luft- und Raumfahrt verwendete Antriebsmotoren, außerdem in einige Katalysatoren für chemische Synthesen.Meitnerium kommt nicht in der Natur vor und ist nur auf künstlichem Wege durch Kernfusion zugänglich.

Hermann Sicius

19. Radioaktive Elemente: Actinoide

In diesem Kapitel werden ausführlich die ActinoideActinoiden mit ihren wichtigsten Verbindungen beschrieben. Diese insgesamt vierzehn Elemente sind alle radioaktiv, und nur einige von ihnen wie Thorium oder Uran kommen in der Natur vor. Die meisten Actinoide sind nur auf künstlichem Weg darstellbar. Es werden ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften, ihr Vorkommen, bedeutsame Herstellverfahren, Anwendungen und Patente aufgeführt.

Hermann Sicius

13. Eisengruppe: Elemente der achten Nebengruppe

Die Elemente der achten Nebengruppe (Eisen, Ruthenium, Osmium und Hassium) sind zueinander physikalisch und chemisch relativ ähnlich. Auch bei Ruthenium und Osmium wirkt sich die Lanthanoidenkontraktion noch aus. In ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden sich die Platinmetalle Ruthenium und Osmium schon relativ deutlich, aber nur wenig in Bezug auf ihre chemischen Eigenschaften. Eisen weicht dagegen hinsichtlich seines unedlen Charakters und seiner niedrigeren Dichten, Schmelz- und Siedepunkte von Ruthenium, Osmium und wohl auch Hassium deutlich ab. Die Elemente dieser Gruppe können maximal acht äußere Valenzelektronen (jeweils zwei s- und sechs d-Elektronen) abgeben, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen. Bei Eisen ist die Oxidationsstufe +3 die stabilste, bei Ruthenium +4, bei Osmium sowie Hassium +8.Die Entdeckung des Eisens erfolgte schon 3000 v. Chr. in Mesopotamien, wogegen Osmium und Ruthenium in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt wurden. Die Erstdarstellung von Atomen des Hassiums gelang 1984.

Hermann Sicius

5. Pnictogene: Elemente der fünften Hauptgruppe

Dieses Kapitel präsentiert Ihnen eine kompakte, umfassende Übersicht über die Pnictogene. Diese in chemischer Hinsicht vielseitigen Elemente können in zahlreichen Oxidationsstufen auftreten. Ihr Charakter reicht von nichtmetallisch (Stickstoff, teils auch Phosphor) über halbmetallisch (Arsen, Antimon) bis metallisch (Bismut und Moscovium). Antimon ist schon seit einigen tausend Jahren bekannt, Arsen seit etwa 800, Phosphor seit 350 und Stickstoff sowie Bismut auch schon seit 250 Jahren. Selbst Moscovium ist in seinen Grundzügen seit 15 Jahren beschrieben. Eine offenbar „alte“ Elementenfamilie also? Keineswegs! Ständig erhalten Forscher und Anwender neue Ergebnisse, es gibt derart viele Anwendungen, so dass wir hier nur das Wichtigste berichten können.

Hermann Sicius

18. Seltenerdmetalle: Lanthanoide und dritte Nebengruppe

In diesem Kapitel werden ausführlich die Elemente der dritten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente sowie die der LanthanoideLanthanoideVerwendungn („SeltenerdmetalleSeltenerdmetalleVerwendung“) mitsamt ihrer wichtigsten Verbindungen beschrieben. Diese insgesamt achtzehn Elemente sind Bestandteil vieler Gebrauchsgegenstände des täglichen Bedarfs und in technologischer Hinsicht für die Zukunft unverzichtbar. Wir führen ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften, ihr Vorkommen, bedeutsame Herstellverfahren, Anwendungen und Patente auf.

Hermann Sicius

1. Wasserstoff und Alkalimetalle: Elemente der ersten Hauptgruppe

Hier sind alle Elemente der ersten Hauptgruppe vereint, also Wasserstoff und sämtliche Alkalimetalle. Wasserstoff wurde vor 250 Jahren, die Metalle Lithium, Natrium und Kalium vor 200 Jahren entdeckt. Rubidium und Cäsium folgten 50 Jahre später, und Francium, dessen Isotope alle extrem kurzlebig sind, wurde 1939 erstmals beschrieben. Obwohl diese Elemente in vielen Publikationen genannt werden und daher ziemlich bekannt sind, haben wir auch hier eine interessante Elementenfamilie vor uns.Die AlkalimetalleAlkalimetalle sind chemisch sehr reaktiv und zeigen regelmäßige Abstufungen ihrer Eigenschaften. So nehmen vom Lithium zum Cäsium Dichte und Reaktivität zu, Schmelz- und Siedepunkte sowie Elektronegativitäten dagegen ab. Ebenso erfolgt heftige bis explosionsartige Reaktion mit Wasser und Mineralsäuren. In ihren Verbindungen sind sie fast durchweg immer der elektropositivere Partner.

Hermann Sicius

2. Erdalkalimetalle: Elemente der zweiten Hauptgruppe

Alle Elemente dieser Gruppe, von Beryllium bis Barium, wurden vor rund 200 Jahren entdeckt, und Radium auch bereits Ende des 19. Jahrhunderts. Magnesium, Calcium und auch Barium kommen sehr häufig in der Erdkruste vor; dagegen sind Beryllium und Strontium wesentlich seltener. Radium ist eines der Zerfallsprodukte natürlich vorkommenden Urans und in Uranerzen daher immer, wenn auch nur in geringsten Spuren, enthalten.Die Elemente dieser Gruppe sind zwar sämtlich Metalle, zeigen aber deutliche Abstufungen ihrer Eigenschaften. Die „echten“ Erdalkalimetalle Calcium, Strontium, Barium und Radium zeigen die typische hohe Reaktionsfähigkeit gegenüber Wasser, Säuren und Nichtmetallen, wogegen diese bei Magnesium nur noch abgeschwächt und bei Beryllium in wesentlich geringerem Ausmaß zu sehen sind.

Hermann Sicius

10. Vanadiumgruppe: Elemente der fünften Nebengruppe

Dieses Kapitel beschreibt die chemischen und physikalischen Eigenschaften, Vorkommen, Herstellverfahren, Anwendungen und Patente der Elemente der fünften Nebengruppe des Periodensystems der Elemente mit ihren wichtigsten Verbindungen. Vanadium ist Bestandteil einer Reihe widerstandsfähiger und harter Stähle, wogegen man aus den harten und chemisch relativ inerten Metallen Niob und Tantal hochschmelzende Legierungen für besondere Anwendungen herstellt. Isotope des Dubniums kommen in der Natur nicht vor und können ausschließlich auf künstlichem Weg erzeugt werden.

Hermann Sicius

8. Edelgase: Elemente der achten Hauptgruppe

Neonreklame, Helium als Füllgas in Ballons, Xenonscheinwerfer: diese Begriffe sind Ihnen wahrscheinlich bekannt, doch was steckt dahinter? Damit nicht genug: Radon in unterirdischen Heilstollen, mit Argon gefüllte Glühbirnen, KrF+ und Perxenate als stärkste bisher bekannte Oxidationsmittel?Dieses Kapitel gibt Ihnen kurzen, aber umfassenden Einblick in die Welt der Edelgase. Sie haben richtig gelesen: man hat die Vertreter dieser Gruppe so genannt, weil sie kaum oder gar nicht mit anderen Elementen oder Verbindungen reagieren. Trotzdem bieten sie hochinteressante Einblicke und sind aus vielen technischen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Wir spannen hier den Bogen von der Zeit ihrer Entdeckung vor rund hundert Jahren bis heute, und die Erforschung dieser Elemente ist noch lange nicht abgeschlossen.

Hermann Sicius

15. Nickelgruppe: Elemente der zehnten Nebengruppe

Dieses Kapitel beschreibt die Vorkommen, Herstellverfahren, Eigenschaften und Anwendungen der Elemente der zehnten Nebengruppe des Periodensystems (Nickel, Palladium, Platin und Darmstadtium) und ihre wichtigen Verbindungen. Nickel wurde 1751 entdeckt, Palladium 1803, und Platin dagegen war zumindest in legierter Form schon in Altägypten bekannt. 1994 konnten die ersten Atome des Darmstadtiums erzeugt werden.Auch beim Elementenpaar Palladium und Platin erkennt man noch die Auswirkung der Lanthanoidenkontraktion. Die jeweiligen physikalischen Eigenschaften dieser zwei Elemente unterscheiden sich schon deutlich, nicht aber die chemischen. Die Eigenschaften des Nickels weichen aber von denen der zwei „edlen“ Platinmetalle Palladium und Platin deutlich ab, so zeigt Nickel ein negatives Normalpotenzial sowie niedrigere Dichten, Schmelz- und Siedepunkte. Bei Nickel ist die Oxidationsstufe +2 die stabilste, Palladium und Platin treten jeweils mit der Oxidationsstufe +2 und +4 auf.Palladium und Platin setzt man vielfach in Katalysatoren, auch in solchen zur Reinigung von Autoabgasen, ein. Nickel ist wesentlicher Bestandteil korrosionsfester Stähle.

Hermann Sicius

6. Chalkogene: Elemente der sechsten Hauptgruppe

Die Chalkogene sind vielseitige Elemente, die in zahlreichen Oxidationsstufen auftreten können. Ihr Charakter reicht von nichtmetallisch (Sauerstoff) bis metallisch (Polonium und Livermorium). Schwefel ist schon seit einigen tausend Jahren bekannt, Sauerstoff, Selen und Tellur seit etwa 200, Polonium seit gut 100 und Livermorium auch schon seit 15 Jahren. Eine ziemlich „alte“ Elementenfamilie also? Mitnichten. Die Chemie dieser Stoffe ist derart umfangreich, an Anwendungen gibt es dermaßen viele, dass hier nur das Wichtigste wiedergegeben werden kann.

Hermann Sicius

12. Mangangruppe: Elemente der siebten Nebengruppe

Dieses Kapitel beschreibt die chemischen und physikalischen Eigenschaften, Vorkommen, Herstellverfahren, Anwendungen und Patente der Elemente der siebten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente mit ihren wichtigsten Verbindungen. Reines Mangan nutzt man technisch zwar kaum, aber sehr große Mengen werden mit Stahl zu Ferromangan legiert, das wesentlich härter und korrosionsbeständiger als Stahl ist. Mangan-IV-oxid geht in großem Umfang in Alkali-Mangan-Batterien.Technetium entsteht in Kernreaktoren in Mengen einiger t/a durch Spaltung des Uranisotops 23592U. Den größten Teil des gewonnenen Technetiums verwendet man als Radiotherapeutikum. Dessen wichtigstes Isotop ist 99m43Tc, dessen kurze Halbwertszeit, weiche γ-Strahlung und die Fähigkeit, sich an im menschlichen Körper vorhandene Moleküle anzulagern, es als Tracer für die Szintigrafie prädestinieren. Ammonium- oder Kaliumpertechnetat sind wirksame Rostschutzmittel für Stahl.Rhenium ist oft in Legierungen mit Nickel zu finden, die gegen Ermüdungsbrüche widerstandsfähig sind. Außerdem ist es in Katalysatoren enthalten.Bohrium kommt nicht in der Natur vor; alle seine Isotope sind radioaktiv und müssen künstlich erzeugt werden. Bei der offiziell erstmaligen Herstellung des Elements 1981 wurden fünf Atome des Isotops 262107Bh erhalten.

Hermann Sicius

3. Erdmetalle: Elemente der dritten Hauptgruppe

Alle Elemente der dritten Hauptgruppe (Borgruppe oder Erdmetalle), mit Ausnahme des vor etwa zehn Jahren erstmals erzeugten Nihoniuims, wurden erst im 19. Jahrhundert entdeckt. Obwohl Aluminium das am häufigsten vorkommende Metall ist, blieb es in elementarer Form lange verborgen. Gallium, Indium und Thallium sind dagegen sehr selten.Die Elemente dieser Gruppe ändern ihren Charakter teils stark von Halbmetall (Bor) über das allgegenwärtige, metallische Aluminium hin zu tiefschmelzenden Schwermetallen (Gallium, Indium und Thallium) und zu einem möglicherweise leichtflüchtigen und gelegentlich anionisch auftretenden Metall (Nihonium).

Hermann Sicius

17. Zinkgruppe: Elemente der zweiten Nebengruppe

Die Eigenschaften der Elemente der zweiten Nebengruppe (Zink, Cadmium, Quecksilber, Copernicium) sind relativ ähnlich. Cadmium steht in seinen Eigenschaften zwischen Zink und Quecksilber. Zink und Cadmium haben negative Normalpotenziale und sind damit unedle Metalle, wogegen Quecksilber ein Halbedelmetall ist. Die Elemente dieser Gruppe geben meist ein oder zwei äußere Valenzelektronen ab, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen. Bei Zink und Cadmium sind die Oxidationsstufen +2 am stabilsten, bei Quecksilber +1 und +2. Für das höchste Element dieser Nebengruppe, das Copernicium, konnten bisher kaum chemische Untersuchungen durchgeführt werden. Es ist zu erwarten, dass es sich chemisch ähnlich wie Quecksilber verhält.Zink als Element kennt man seit dem 17. Jahrhundert, Cadmium seit 1817, wogegen Quecksilber schon in der Antike bekannt war. Die erstmalige Darstellung von Atomen des Coperniciums gelang 1996.

Hermann Sicius

9. Titangruppe: Elemente der vierten Nebengruppe

In diesem Kapitel werden die Elemente der vierten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente mit ihren wichtigsten Verbindungen beschrieben. Vor allem ist Titan Bestandteil vieler Gebrauchsgegenstände des täglichen Bedarfs und in technologischer Hinsicht für die Zukunft unverzichtbar, aber auch Zirconium und Hafnium gehen in viele Anwendungen. Es werden ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften, ihr Vorkommen, bedeutsame Herstellverfahren, Anwendungen und Patente aufgeführt.

Hermann Sicius

4. Kohlenstoffgruppe: Elemente der vierten Hauptgruppe

Die Elemente der Kohlenstoffgruppe, also die der vierten Hauptgruppe, haben stark voneinander abweichende Eigenschaften. Die Atome dieser Elemente nehmen entweder vier Elektronen auf oder geben meist zwei oder vier ab, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen.Kohle und damit Graphit ist seit vorgeschichtlicher Zeit bekannt, und Diamant als zweite wichtige Modifikation des Kohlenstoffs ist bereits in chinesischen Quellen aus dem 3. Jahrtausend vor Christus erwähnt. Seit der Bronzezeit kennen die Menschen Blei, Zinn auch schon seit 6000 Jahren. Dass Sand Silicium zugrunde liegt, wissen wir aber erst seit etwa 200 Jahren, und Germanium wurde ebenfalls erst 1886 beschrieben. Atome des Fleroviums konnten 1999, also noch im letzten Jahrtausend, dargestellt werden. Wir haben also eine lange bekannte Familie von Elementen vor uns.Das Nichtmetall Kohlenstoff ist in seiner Modifikation Graphit ein hochschmelzender Feststoff, ebenso die Halbmetalle Silicium und -mit Abstrichen- Germanium. Zinn und Blei, die metallischen Vertreter dieser Gruppe, weisen dagegen tiefe Schmelzpunkte auf. Flerovium ist möglicherweise sogar ein leicht flüchtiges Halbedelmetall.

Hermann Sicius

11. Chromgruppe: Elemente der sechsten Nebengruppe

Dieses Kapitel beschreibt die chemischen und physikalischen Eigenschaften, Vorkommen, Herstellverfahren, Anwendungen und Patente der Elemente der sechsten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente mit ihren wichtigsten Verbindungen. Chrom findet man als Legierungsbestandteil in harten und widerstandsfähigen Stählen, Verbindungen des Chrom-VI jedoch in der galvanischen und lederverarbeitenden Industrie. Molybdän und Wolfram gehen in harte und hochschmelzende Legierungen, ihre Nitride und Carbide sind aber vor allem für die Elektronikindustrie wichtig. Isotope des Seaborgiums kommen in der Natur nicht vor und können ausschließlich auf künstlichem Weg erzeugt werden.

Hermann Sicius

16. Kupfergruppe: Elemente der ersten Nebengruppe

Dieses Kapitel stellt Vorkommen, Gewinnung, Eigenschaften, Anwendungen und Verbindungen der Elemente der ersten Nebengruppe (Kupfer, Silber, Gold, Roentgenium), deren physikalische und chemische Eigenschaften relativ ähnlich sind, ausführlich vor. Kupfer, Silber und Gold sind alle bereits seit Jahrtausenden bekannt. 1994 wurde das erste Atom des Roentgeniums erzeugt.Beim Elementenpaar Silber und Gold ist die Lanthanoidenkontraktion nur noch schwach erkennbar. Die jeweiligen physikalischen Eigenschaften von Kupfer, Silber und Gold sind bis auf die vom Kupfer zum Gold zunehmende Dichte relativ ähnlich, dafür nimmt, wie bei den Elementen der vierten bis zehnten Nebengruppe, die Reaktivität vom Kopfelement (hier: Kupfer) zum schwersten Gruppenmitglied (hier: Gold) hin ab. Auch Kupfer ist aber schon ein Halbedelmetall. Bei Kupfer sind die Oxidationsstufen +1 und +2 am stabilsten, bei Silber +1 und bei Gold +1 und +3.

Hermann Sicius

7. Halogene: Elemente der siebten Hauptgruppe

Die Halogene sind eine der chemisch reaktivsten Gruppen von Elementen. Sie sind teils schon lange bekannt, werden in sehr vielen Anwendungen eingesetzt und zeigen eine vor allem hinsichtlich ihrer Verbindungen mit anderen Nichtmetallen interessante Chemie. Fluor und Chlor sind bei Raumtemperatur Gase, Brom ist neben Quecksilber das einzige unter diesen Bedingungen flüssige Element, wogegen Iod, Astat und möglicherweise auch Tenness unter diesen Bedingungen Feststoffe sind. Lassen Sie sich überraschen: Halogene sind weit mehr als nur Kochsalz und Iodoform.

Hermann Sicius

1. Einleitung

Die Bedingungen von produzierenden Industrieunternehmen haben sich signifikant verändert. Wettbewerbsvorteile sind oft nur noch temporär, es entstehen oft innerhalb kurzer Zeit neue Absatzmärkte, während gerade noch aktuelle Absatzmärkte rasch wieder verschwinden. Kunden haben diversifizierte und spezifische Produktanforderungen, wodurch das Produktangebot und die Variantenvielfalt für die Unternehmen kontinuierlich zugenommen haben. Es ist erforderlich, mit unterschiedlichen Produktgruppen unterschiedliche Märkte zu bedienen. Insgesamt ergeben sich daraus völlig neue Anforderungen an die Produktionsstrategien, da oft eine anpassungsfähige Wettbewerbsstrategie zu verfolgen ist. Dazu ist die permanente Produkt- und Prozessinnovation zu einer zwangsläufigen Voraussetzung zum Auf- und Ausbau von Wettbewerbsvorteilen geworden. Interne und externe Wandlungstreiber machen deutlich, dass zur Reaktion auf diese ein ganzheitliches Produktionsmanagement erforderlich ist. Im ersten Kapitel werden die Wandlungstreiber des Produktionsmanagements durch eine nähere Betrachtung der Megatrends sowie die Rolle der Produktion zur wettbewerbsfähigen Ausrichtung eines Unternehmens näher aufgearbeitet.

U. Dombrowski, P. Krenkel, M. Hermann

Kapitel 5. Ergebnisse

Der Dehnratenansatz ist unter vereinfachter Annahme eines linear-elastischen Verformungsverhaltens im ungeschädigten Probenzustand unabhängig von Materialkennwerten. Als Einstellgröße dient die Bezugsfrequenz ( $$f_{0}$$ f 0 ). Diese wurde in den Untersuchungen für $$\sigma _{o}$$ σ o = 60 MPa auf 7 Hz festgelegt.

Daniel Hülsbusch

Kapitel 2. Stand der Technik

Sofern nicht explizit anders angegeben, handelt es sich in dieser Arbeit stets um endlosfaserverstärkte Kunststoffe und die Abkürzung FVK wird stellvertretend für Strukturen mit diesem Fasertyp verwendet. Des Weiteren werden ausschließlich polymerbasierte Matrixsysteme berücksichtigt und der Fokus auf duroplastische Kunststoffe mit Glasfaserverstärkung (GFK) gelegt.

Daniel Hülsbusch

Kapitel 14. Giftstoffe und Abfälle

Aufgrund des hohen Lebensstandards produzieren die Industrieländer die höchsten Siedlungsabfallaufkommen der Welt. Um den hohen Primärrohstoffverbrauch dieser Nationen zu reduzieren, müssen sämtliche Material- und Stoffflüsse entlang der Wertschöpfungskette erfasst und umverteilt werden – vom Rohstoffabbau über das Produktdesign bis hin zur Abfallbewirtschaftung. Ohne Entkoppelung von steigendem Ressourcenverzehr und weiterem unnötigen Marktkonsum werden die Abfallmengen ins Unermessliche ansteigen.

Christoph J. Rohland

Kapitel 3. Energiewende aus Sicht der Energie-, Umwelt- und Klimaschutz-Ökonomik

Während die traditionelle industrieökonomische Perspektive aus Gründen der ökonomischen Effizienz auf die Internalisierung der externen Kosten fossiler Energien mittels Instrumenten der CO2-Bepreisung setzt und hierzu vor allem das System der Emissionszertifikate ausbauen möchte, bei gleichzeitiger Zurückdrängung prozesspolitischer Detailregulierungen, strebt die evolutorisch-systemische Perspektive eine größere Instrumentenvielfalt an, unter Wahrung bewährter ordnungsökonomischer Prinzipien. Hierbei spielen Phänomene der Pfadabhängigkeit ebenso eine Rolle wie Aspekte des systemischen Lernens und des Aufbaus einer problemadäquaten Transformations-Kompetenz. Am Beispiel der Photovoltaik kann dies besonders verdeutlicht werden. Solche Erkenntnisse und Konzepte spielen ebenso bei weiteren polit-ökonomischen Aspekten der Energiewende eine Rolle.

Thomas Göllinger

Kapitel 27. Erarbeitung eines Rücknahmesystems am Beispiel des Cradle to Cradle® zertifizierten Würth Varifix® Schnellmontagesystems

Um nach der Idee des Brundtland Reports, welcher als Grundlage für Nachhaltigkeit gilt, auch für künftige Generationen Chancengleichheit wahren zu können (vgl. United Nations 1987, Chairman’s Foreword), bemüht sich die Adolf Würth GmbH & Co. KG schon seit geraumer Zeit, ihren Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung zu leisten. Hierzu sollen sukzessive immer mehr Artikel der breiten Produktpalette in Stoffkreisläufen gehalten werden, um so einer Ressourcenverknappung entgegenzuwirken und nachhaltiger zu wirtschaften. Im Zuge dessen wurde als weltweit erstes Schnellmontagesystem das Würth Varifix® Montagesystem mit dem Cradle to Cradle® Zertifikat versehen und so ein erster großer Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft getätigt.

Sven Kübler, Elisabeth Kraut, Carina Lebsack, Wanja Wellbrock, Wolfgang Gerstlberger

Kapitel 30. Best Practices zur nachhaltigen Beschaffung von Rohstoffen entlang der Lieferkette: Erfahrungen aus einer Fallstudie in Deutschland

Im Jahr 2017 trat eine EU-Konfliktmineralienverordnung in Kraft, die verhindern soll, dass Unternehmen durch ihre Rohstoffbeschaffung bewaffnete Konflikte finanzieren. Unternehmen sind demnach angehalten, verschiedene Maßnahmen zu treffen, um Risiken entlang ihrer Wertschöpfungskette zu identifizieren und den Ursprung der enthaltenen Konfliktmineralien zurückzuführen.

Rubén Medina Serrano, Wanja Wellbrock, Pino Valero Cuadra

Kapitel 2. Webfehler im System: Mensch und Natur

Jeder isst. Einige von uns essen vielleicht nur Gemüse, aber die meisten von uns essen auch Fleisch. Der Fleischkonsum variiert stark zwischen Industrie- und Entwicklungsländern sowie zwischen den Kulturen. Die Menschen in VietnamVietnam z. B. essen jedes Jahr etwa 28,6 kg Fleisch, während der durchschnittliche Amerikaner 125 kg tierisches Eiweiß verzehrt. In beiden Ländern ist das Fleisch von Rindern, Schweinen und Hühnern die Hauptquelle für Fleisch. Diese Tiere sind zusammen mit den Menschen, die sie essen, ein Teil der Nahrungskette.

Niko Roorda

Kapitel 3. Webfehler im System: Menschen und Gesellschaft

13 Cent pro Tag; das ist das, was er im Durchschnitt für zwölf Stunden Arbeit auf den Tabakplantagen verdient. Kirana Kapito ist eines der vielen Kinder in MalawiMalawi, Afrika, die die Felder jäten, TabakTabak ernten und die Ballen tragen. Kirana begann mit acht Jahren zu arbeiten. Heute ist er 14 Jahre alt, und da sein schmächtiger Körper am Tag so viel Nikotin aufnimmt, wie es in 50 Zigaretten enthalten ist, hat er eine schwere NikotinvergiftungNikotinvergiftung. Er leidet unter Übelkeit, Erbrechen, Kopfschmerzen und Atembeschwerden. Er hat die „Grünen TabakkrankheitGrüne Tabakkrankheit“, auch GTS genannt, die die Entwicklung des Gehirns behindert.

Niko Roorda

Kapitel 4. Über die Mechanik von Balken, Polymeren und Membranen

In diesem Kapitel wollen wir uns mit den mechanischen Eigenschaften von Balken und langkettigen, flexiblen Polymeren beschäftigen, weil sich diese Strukturen überall in der Zelle finden und weil deren Mechanik für die Funktionsweise zellulärer Prozesse sehr wichtig ist. Deswegen wollen wir in diesem ersten Abschnitt ein paar Beispiele zeigen, für welche die Mechanik langer Ketten oder Balken von Interesse ist.

Thomas Bornschlögl, Hendrik Dietz

Kapitel 6. Jetzt und später

Bis 1990 wird es kommerzielle Flüge mit Geschwindigkeiten von mehr als 6000 km pro Stunde geben.

Niko Roorda

Kapitel 8. Der Target-Generator

Digitale Akquisition im M&A-Prozess

Das Fallbeispiel beschreibt die Digitalisierung eines Suchprozesses in einem beratenden Unternehmen. Ein Teilbereich des Unternehmenskaufs oder Unternehmensverkaufs (Mergers & Acquisitions, M&A) beinhaltet die Suche nach potenziellen Erwerbern oder Verkäufern. Diese Suche wird meist über das eigene Netzwerk (zum Beispiel CRM-System) oder Eigenrecherchen (Online) abgewickelt. Der Nachteil ist die aufwendige Suche nach potenziellen Targets, die außerhalb des eigenen Netzwerks liegen. Die für den Prozess (Erstellung der Target-Liste) relevanten Informationen (unter anderem Unternehmensgröße, Produktportfolio, Finanzzahlen, Gesellschaftsstruktur) müssen über mehrere Informationsquellen abgefragt werden und sind oftmals nicht aktuell. Die Fischer Capital Corporate Finance GmbH (nachfolgend CCF) digitalisiert diesen Suchprozess dahin gehend, dass mithilfe einer Cloud Software für Sales und Marketing Intelligence Zielunternehmen fokussiert und nach den gewünschten Kriterien (Größe, Umsatz, Produkte etc.) gesucht werden können. Diese Digitalplattform gestattet dem Unternehmen, systematisch externe Informationen, aktuelle Ereignisse und sich stetig verändernde Daten automatisch und in Echtzeit auszuwerten, nutzbar zu machen und seinen Kunden zur Verfügung zu stellen. Dadurch erzielt CCF einen Ressourcenvorteil hinsichtlich Geschwindigkeit, Zeit und Mitarbeiterkapazität gegenüber Wettbewerbern.

Carsten Weber, Alexander Wert

Kapitel 8. Die Logik des Zusammenbruchs

In den letzten 4000 Jahren hat es, je nach Zählung, mehr als 50 Hochkulturen auf allen Kontinenten gegeben. Die wenigsten davon haben Spuren in unserer Erinnerung hinterlassen. Warum sind sie alle verschwunden, und was können wir daraus für unsere globale digitale Zivilisation lernen?

Thomas Grüter

Kapitel 5. Die Wachstumsgrenzen der Welt

Unser Wirtschaftssystem ist nur stabil, wenn es ständig wächst. Kleinere Störungen und Fluktuationen gehen dann in den steigenden Zahlen unter. Aber irgendwann ist Maximum erreicht, und dann geht es bergab.

Thomas Grüter

Kapitel 1. Technologien

Der Übergang zu einer regenerativen Energieversorgung entspringt keineswegs einer ökologisch-romantischen Vorstellung, sondern ist von sachlichen Notwendigkeiten geprägt. Interessanterweise gehen technische und soziale Aspekte dabei Hand in Hand: Das Ausbeuten endlicher Vorräte an Energieträgern führt zwangsläufig zur Anreicherung von Abgasen in der Atmosphäre und nichtflüchtigen Abfallstoffen im Meer. Beide Vorgänge finden langsam und schleichend statt, sodass sie nach menschlichem Empfinden kaum wahrzunehmen sind. Auch die Folgen für Klima und Landnutzung, Nahrungsketten und Gesundheit sind nur auf langen Zeitskalen zu beobachten. Doch gerade das schleichende Fortschreiten birgt die Gefahr, dass die an sich bekannten Bedrohungen gegenüber der Tagespolitik und kurzatmigen Schlagzeilen ins Hintertreffen geraten. Am Beispiel der Energieklippe (Abschn. 2.2.4) wird deutlich, wie ein allmählicher Prozess abrupt in eine Katastrophe münden kann – technisch wie sozial:

Christian Synwoldt

Optimierung des Phosphorrecyclings aus biogenen Reststoffen

Im Rahmen der Forschungsarbeit werden die thermische Verwertung, sowie die nass- und thermochemischen Phosphorrückgewinnungsverfahren für phosphorreiche Reststoffe wie Klärschlamm, Tiermehl, Gärsubstrate und deren Aschen hinsichtlich verschiedener Optimierungsansätze untersucht. Dabei werden zunächst die nationalen Volumenströme für diese Reststoffe identifiziert und ihre stofflichen Zusammensetzungen analysiert. Um eine Aussage über mögliche Optimierungsansätze treffen zu können, werden die nass- und thermochemischen Verfahren näher. Der Fokus liegt dabei auf der Verfahrenstechnik, sowie den phosphathaltigen Endprodukten. Aus der Betrachtung ergeben sich dabei Optimierungsmöglichkeiten im Verbrennungsprozess, speziell bei der Additivzugabe und der Temperaturführung. Eine Verbesserung der phosphathaltigen Produkte kann weiterhin durch mechanische Aufbereitungsschritte erfolgen. Hierzu gehören die Dichtesortierung sowie die Nanofiltration. Eine Verbesserung der Pflanzenverfügbarkeit der P-Produkte ist ebenfalls ein möglicher Optimierungsansatz.

Sebastian Jentsch, Torsten Birth

2. Passive Bauelemente

Elektronische Schaltungen enthalten neben den aktiven Bauteilen, meist Transistoren, auch passive Bauteile. Das sind Widerstände (R), Kondensatoren (C), Induktivitäten (L) und Dioden (D). Alle Teile gibt es in großer Vielfalt in einem großen Werte- und Leistungsbereich.Die verschiedenen Ausführungsformen werden vorgestellt, Aufbau und die jeweils besonderen Eigenschaften werden beschrieben. Die ständige Tendenz zur Miniaturisierung wird ebenso berücksichtigt wie Sonderbauformen und besondere Werkstoffe, die bestimmte Eigenschaften erst ermöglichen. Spezielle Keramiksorten führen zu preisgünstigen Teilen für vielfältige Anwendungen. Normreihen für die Werte sorgen für eine gleichmäßige Abdeckung des Bedarfs.Die erwünschte oder unerwünschte Temperaturabhängigkeit der Werte wird ebenso beschrieben wie die Zuverlässigkeit und Ausfallursachen der Teile. Aufgrund der ständig steigenden Anzahl der Bauelemente und der dadurch sinkenden Zuverlässigkeit aller Schaltungen, ist eine hohe Zuverlässigkeit wichtig. Diese Aussagen gelten im Prinzip auch für aktive Teile und integrierte Schaltungen.

Prof. Dr. rer. pol. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Ekbert Hering, Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Rolf Martin, Dr. Julian Endres

3. Aktive Bauelemente

Transistoren und Dioden sind die wichtigsten Halbleiterbauteile aus denen elektronische Schaltungen, integrierte analoge und digitale Schaltungen, aufgebaut sind.Aufbau, Wirkungsweise und Eigenschaften werden beschrieben. Dazu zählen die bipolaren Transistoren die Feldeffekttransistoren (FET) und die MOSFET. Letztere haben im Leistungsbereich eine zunehmende Bedeutung. Der größte Teil widmet sich der Schaltungstechnik. Der Leser lernt die für den Anwendungsfall geeigneten Transistoren und die günstigste Schaltung auszuwählen und zu dimensionieren.Auch wenn die Bedeutung diskret aufgebauter Schaltungen zugunsten der integrierten Schaltungen abnimmt, erklären sie die Arbeitsweise mit Vor- und Nachteilen. Für viele Sonderfälle kann eine Schaltung speziell entwickelt und ausgelegt werden. Hinweise zur praktischen Entwicklungsarbeit runden das Wissen ab.Quarze und Quarzoszillatoren sind genaue und preisgünstige Schwingungserzeuger. Neben der Wirkungsweise werden typische Eigenschaften, Fehlermöglichkeiten und Temperaturverhalten erläutert. Die Verfahren zur Entwicklung von Präzisionsoszillatoren für höchste Anforderungen werden dargestellt.

Dr. Julian Endres, Harald Rudolph

7. Sensoren

Ein Sensor ist ein Fühler, der die Messgrößen der Umwelt erfassen kann. Ein Sensor ist damit in der Lage, naturwissenschaftliche Effekte in Physik, Chemie, Biologie und Medizin zu erfassen, diese Informationen auszuwerten und entsprechende Maßnahmen zur Steuerung einzuleiten. In diesem Werk werden hauptsächlich physikalische Messgrößen behandelt. In diesem Fall wandelt ein Sensor eine physikalische Größe (z. B. Kraft oder Temperatur) mit Hilfe eines physikalischen Effektes in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal (z. B. Strom oder Spannung) um. Das Sensorelement erfüllt dabei die Funktion eines Aufnehmers, eines Wandlers, eines Verstärkers und einer Auswerte-Elektronik. Eventuelle Störgrößen (z. B. Temperaturbeeinflussung) können rechnerisch berücksichtigt werden. In selteneren Fällen kann das Sensorsignal auch hydraulische oder pneumatische Ausgangsgrößen liefern. Solche Messwertaufnehmer steuern dann die angeschlossenen Stellglieder direkt an.

Prof. Dr. rer. pol. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Ekbert Hering

Kapitel 10. Meta-Analyse: Krise, Transformation und Verantwortung

Primärziel der Fallstudie war es, die nichtmarktliche Stakeholderkommunikation von Volkswagen mithilfe eines Meso-Makro-Mikro-Links empirisch umfassend zu analysieren. Der Leitfaden enthielt neutrale Stimuli zur Reflexion von Erinnerungsfragmenten, die nicht auf den später als „Dieselkrise“, syn. „Abgasskandal“, bekannt gewordenen Skandal des Unternehmens bezogen waren.

Thomas Lang

2. Einfache Beanspruchungen

In Abschnitt 1.2 haben wir fünf Grundbeanspruchungsarten kennengelernt, die in diesem Kapitel näher betrachten werden. Zug- und Druckbeanspruchung sowie Biegung ergeben Normalspannungen im Bauteil. Schub bzw. Scherung sowie Torsion führen zu Tangentialspannungen. Als weitere Beanspruchungen werden Flächenpressung sowie Spannungen durch Eigengewicht, Wärmeausdehnung und Fliehkräfte behandelt. Die Berechnung der Spannungen in zylindrischen Behältern ist ebenfalls Thema dieses Kapitels. Bei der Biegebeanspruchung wird auf zusammengesetzte Querschnitte (Steiner’scher Satz) eingegangen. Die Torsion geschlossener und offener Profile einschließlich der Bredt’schen Formel für beliebige dünnwandige Querschnitte ist Gegenstand dieses Kapitels.

Klaus-Dieter Arndt, Holger Brüggemann, Joachim Ihme

1. Einführung

Die „Festigkeit von Dingen“ ist etwas, was im Alltagsleben häufig Gegenstand der Betrachtung ist. Meist wird umgangssprachlich dabei der Begriff „fest“ verwendet. Beispielsweise fragen Kinder im Winter, ob das Eis „fest genug sei, um es zu betreten“. „Fest“ wird als Beschreibung der Materialeigenschaft des Eises genutzt. Die Materialeigenschaft wird in Verbindung mit einer Belastung gebracht – die Kinder wollen das Eis betreten. Und es geht um einen Schaden, beziehungsweise um die Vermeidung eines Schadens. Die Kinder wollen nicht einbrechen. Auch in technischen Zusammenhängen findet dieser Begriff häufig Verwendung. Beispielsweise kann man Autozeitschriften entnehmen, dass in Kraftfahrzeugen zunehmend hochfeste Stähle oder Faserverbundwerkstoffe eingesetzt werden, um die Fahrzeuge leichter zu gestalten und das Crashverhalten zu verbessern. Wieder geht es um eine Materialeigenschaft, die in Verbindung mit einer Belastung (dem Crashtest) steht. Und wieder soll auch ein Schaden vermieden werden: die Insassen des Fahrzeuges sollen nicht verletzt werden.Beiden Beispielen kann man entnehmen, dass die „Festigkeit“ etwas mit den Eigenschaften eines Materials, mit den Belastungen und mit der Vermeidung von Schäden zu tun haben muss.Wie die Begriffe „fest“ beziehungsweise „Festigkeit“ in der Technik definiert sind und was dabei die Aufgabe der „Festigkeitslehre“ ist, ist Inhalt des Kap. 1.

Klaus-Dieter Arndt, Holger Brüggemann, Joachim Ihme

6. Querschnitte aus Verbundwerkstoffen

Ausgehend von den Kenntnissen über die Zug‑ und Druckbeanspruchungen (Abschn. 2.1) und über die Biegung (Abschn. 2.2 und Kap. 4), bei denen es sich vorwiegend um die Ermittlung von Spannungen und Deformationen infolge von Normalkräften und Biegemomenten handelt, wollen wir uns nun mit Bauteilen beschäftigen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. In den vorangegangenen Kapiteln wurde vorausgesetzt, dass die Konstruktionen aus einem Material bestehen, dessen Elastizitätsmodul über die gesamte Querschnittsfläche gleich ist.In den technischen Bereichen kommen jedoch zunehmend Bauteile zum Einsatz, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

Klaus-Dieter Arndt, Holger Brüggemann, Joachim Ihme

Kapitel 6. Digitalisierung in der Wartung

Die Digitalisierung von Wartungsprozessen ist mit vielen Vorteilen für Unternehmen verbunden. Besonders viel Potenzial bietet dabei die Digitalisierung von Wartungsprozessen mittels innovativer Technologien, wie zum Beispiel des Internet der Dinge, der Künstlichen Intelligenz oder Augmented Reality (AR), da dadurch Dienstleistungs- und Geschäftsmodellinnovationen entstehen können. Um den aktuellen Stand der Digitalisierung von Wartungsprozessen sowie den Nutzungsgrad innovativer Technologien in Wartungsprozessen zu ermitteln, wurde eine Befragung von Unternehmen durchgeführt, die sich professionell mit Wartungsdienstleistungen beschäftigen. Die Ergebnisse zeigen, dass Wartungsprozesse aktuell nur auf durchschnittlichem Niveau digitalisiert sind und mit Ausnahme von mobilen Geräten nahezu keine innovativen Technologien verwendet werden. Die Ergebnisse sollen Unternehmen Handlungsempfehlungen für die Digitalisierung ihrer Dienstleistungsprozesse durch den Vergleich zum bestehenden Wettbewerb und vor dem Hintergrund der bereits möglichen Digitalisierung im Bereich der Wartung geben.

Anna Moker, Prisca Brosi

Kapitel 4. Funktion/Wirkung von Feuerlöscheinrichtungen

Es gibt unterschiedliche Arten von FeuerlöscheinrichtungenFeuerlöscheinrichtung, und zu viele Personen setzen sich damit erst dann auseinander, wenn sie benötigt werden – ein häufig fataler Fehler: nicht nur, dass man im Brandfall aufgeregt ist und fehlerhafte Entscheidungen trifft, sondern auch, dass man ggf. unfähig ist, in diesem Moment Gebrauchsanleitungen von Handfeuerlöschern zu lesen.

Wolfgang J. Friedl

Kapitel 2. Grundzüge des Brandschutzes

Die Ausbildung für Brandschutzhelfer gliedert sich in fünf theoretische Teile. Das vorliegende Kapitel behandelt in sechs kurz, prägnant und pragmatisch abgehandelten Abschnitten den ersten Teil, die Grundzüge des Brandschutzes. Denn nur wenn man grundlegendes über den Verbrennungsvorgang weiß, kann man herleiten, welche Methode des Löschens sinnvoll und erfolgreich ist.

Wolfgang J. Friedl

Kapitel 7. Praxis

Ein Buch zu lesen, viele Tipps zu bekommen, das alles ist graue Theorie (ich hoffe dennoch, dass es Ihnen etwas Spaß gemacht hat, mein neues Buch zu lesen und dass Sie diese Theorie in Ihrer gelebten Praxis umsetzen … und dass sie nicht zu grau war!?). Daraus in der entsprechenden Situation etwas zu machen, ist Praxis.

Wolfgang J. Friedl

4. Abgasreinigung, Steuergeräte und Abschalteinrichtungen

Verbrennungsmotoren in Pkw und Lkw und deren Abgasanlagen enthalten heute viele Sensoren, die physikalische Größen erfassen. Sensorsignale werden an ein Motorsteuergerät weitergeleitet, das mit diesen Informationen Stellglieder (Aktoren) am Motor so ansteuert, dass der Motor optimal arbeitet. Die Leistungsfähigkeit der Steuergeräte ermöglicht auch die Erkennung von Prüfzyklen und einen gegenüber dem Straßenverkehr veränderten Betrieb. Einrichtungen und Funktionen, die zwischen Prüfzyklen und Straßenverkehr unterscheiden und somit unterschiedliche Emissionen zwischen Typzulassung und Betrieb bewirken, heißen Abschalteinrichtungen und sind verboten.

Kai Borgeest

12. Vordenker und ihre Haltung und Impulse für die Organisation

Dass „New Work“ auf vielfältige Art gelebt und die Kulturentwicklung gestaltet werden kann, zeigt die Autorin beispielhaft anhand von sechs persönlichen Steckbriefen zu Führungspersönlichkeiten und deren Lösungsmustern, die sie mit Zitaten aus gemeinsam geführten Gesprächen im Frühjahr und Sommer 2020 komplettiert hat: Bernd Schmid und der Aufruf für agiles Arbeiten im Finanzbereich Kerstin Gliniorz und der Wert von entscheidungsbefähigten Mitarbeitern Dr. Kerstin Höfle und die Bedeutung von Netzwerken Michael Rendsburg und die Bedeutung von Bildung und unternehmerischer Verantwortung bei allen Organisationsmitgliedern im Kontext des digitalen Führens Rolf Dothagen und das neue Verständnis von Wirksamkeit Lars Feldmann und der Moment, wenn Kunden zu Fans werden

Bettina Bohlmann

Kapitel 8. Die Diodengleichung

Mit der Diodengleichung setzte ich mich auseinander, weil ich die Verluste eines Leistungsgleichrichters in Abhängigkeit der Temperatur im Leistungsgleichrichter ermitteln musste. Der Ansatz schien einfach: Ich verwende die Shockley-Gleichung, ermittle die beiden Faktoren für die Diode anhand des Kennliniendiagramms für 20 °C und setze anschließend die Temperatur als Parameter, von dem die Verlustleistung abhängt. Das funktionierte grundsätzlich nicht, weil eine Diode eben nicht so simpel ist, wie die Shockley-Gleichung suggeriert, und weil eine Diode ein Temperaturverhalten aufweist, das entgegen dem durch die Shockley-Gleichung beschriebenen Verhalten auftritt.

Josef von Stackelberg

5. Fahrwerk

Automobile sind Fahrzeuge, deren Bewegung auf einer vorgegebenen Oberfläche, in der Regel einer Fahrbahn, vom Fahrer in Längs- und Querrichtung sowie um die Hochachse (Gierachse) in bestimmten, vom Straßenverlauf oder physikalisch vorgegebenen Grenzen, frei bestimmt werden kann, wobei die Quer- und Gierbewegung eng miteinander gekoppelt sind. Hierbei können sich Eingriffe fahrdynamischer Regel- und Assistenzsysteme den Eingaben des Fahrers überlagern mit dem Ziel, das Verhalten des Fahrzeugs günstig zu beeinflussen bzw. den Fahrer zu unterstützen.In senkrechter Richtung zur Fahrbahnmuss das Automobil hingegen dem Straßenverlauf ohne aktiven Eingriff des Fahrers folgen (Berg- u. Talfahrt). Kurzwellige Fahrbahnunebenheiten sollten jedoch nur soweit auf das Fahrzeug übertragen werden, wie es die Fahrsicherheit, der Fahrerwunsch nach Fahrbahnkontakt und das subjektive Fahrkomfortempfinden erfordern.Das quer-, längs- und vertikaldynamische Verhalten eines Automobils wird durch eine Vielzahl von Parametern bestimmt. In vielen Bereichen liegen nicht-lineare Zusammenhänge und komplexe Kopplungen der Zustandsgrößen vor. Daher stellt das Fahrwerk und in erweitertem Sinne die Fahrdynamik ein hoch interessantes Themengebiet dar, insbesondere wenn neben dem Fahrer in seiner Funktion als Zustandsbeobachter, Regler, Aktuator und subjektiver Beurteiler, auch Regelsysteme und Assistenzsysteme aktiv in fahrdynamische Funktionen eingreifen.

Dr.-Ing. Axel Pauly, Dipl.-Ing. Steffen Gruber, Dr.-Ing. Jan Sendler, Dipl.-Phys. Heiner Volk, Dipl.-Ing. Ludwig Seethaler, Dipl.-Ing. Michael Sattler, Dr.-Ing. Markus Viertlböck, Dr.-Ing. Erich Sagan, Dipl.-Ing. Martin Schwarz, Dipl.-Ing. Thomas Unterstraßer

4. Karosserie

In der Anfangszeit des Automobils wurde die Karosserie – dem Beispiel des Kutschenbaus folgend – auf einem Rahmengestell befestigt. Diese Bauweise findet man heute nur noch bei Lastkraftwagen und großen Off-Road-Fahrzeugen. Im Bereich der Personenwagen hat sich die selbsttragende Karosserie durchgesetzt. Sie wurde 1935 von Opel erstmalig mit dem Modell Olympia in der Großserie eingeführt. Die Innovation bestand darin, dass die Karosserie für sich komplett vorgefertigt wurde. Anschließend wurden die restlichen Komponenten wie Motor, Kupplung, Getriebe, Vorder- und Hinterachse sowie der Auspuffanlage direkt an der Karosserie befestigt und zum Fahrzeug komplettiert. Damit ist die selbstragende Karosserie der wichtigste Aggregateträger, die zudem noch vielen Anforderungen gerecht werden muss.Sie reichen von konsequentem Leichtbau über wirksamen Insassen- und Fußgängerschutz bis hinzu attraktivem Aussehen.

Dipl.-Ing. Lothar Teske, Dipl.-Ing. Helmut Goßmann, Dipl.-Ing. Heinrich Timm, Dr. Armin Plath, Walter Pecho, Martin Derks, Sebastian Veith, Marc Reinstettel, Christian Rauber, Dr. Klaus Werner Thomer

3. Planung und Ablauf des Vorhabens

Kap. 3 gibt einen Überblick über die Projektplanung und den prinzipiellen Ablauf des Vorhabens anhand der Arbeitspaketstruktur. Eine knappe und präzise Beschreibung der Arbeitsinhalte auf Hauptarbeitspaketebene sowie die Zuordnung der Verantwortlichkeiten der einzelnen Partner und der Mitarbeitenden an den jeweiligen Arbeitspaketen vervollständigen die Übersicht.

Heiko Assing

Additive Materialextrusion von Glas und mineralischen Materialien

Eine Vergrößerung der Vielfalt additiver Fertigungsprozesse zeigt sich als überaus begünstigend für die Ideengenerierung und Konstruktion innovativer Bauteile mit verbesserter Materialkomplexität. Die verfügbaren Prozesse zur additiven Verarbeitung von hochschmelzenden Materialien beschränken sich momentan hauptsächlich auf Laserauftragschweißen, Verfahren mit Pulverbett oder die Nutzung von Pasten und Filamenten mit Zusätzen des hochschmelzenden Materials. Abgesehen von ersterem benötigen diese Prozesse oft zusätzliche Prozessschritte wie nachträgliches Sintern, um Endbauteile herzustellen. Dadurch eignen sie sich weniger für eine Dezentrale Produktion von Bauteilen und somit bleiben einige der Potenziale additiver Fertigung ungenutzt. Diese Veröffentlichung behandelt einen innovativen additiven Prozess auf Basis der Materialextrusion, der perspektivisch zur Herstellung von Gebäuden auf dem Mond genutzt werden könnte. Mittels zylindrischen Halbzeugen werden Glas und mineralischen Materialien bei Verarbeitungstemperaturen über 1000 °C zur Herstellung von Bauteilen genutzt. Durch dieses Verfahren könnte in Zukunft eine Multi-Material Bauweise realisiert, sowie die Kosten von hochkomplexen Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen gesenkt werden.

Raphael Freund, Dirk Philipp, Thomas Vietor

Einsatz additiver Fertigungsverfahren für die Bauteilreparatur: Ein literaturbasierter Überblick

Viele Bauteile erreichen aufgrund eingeschränkter Möglichkeiten zur Wartung und Instandhaltung vorzeitig ihr End-of-Life. Additive Fertigungsverfahren bieten jedoch die Möglichkeit, Bauteile zu reparieren, die bisher als nicht reparabel galten. Weiterhin können Bauteile in der additiven Reparatur optimiert werden, sodass z. B. das Wartungsintervall bzw. die Standzeit verlängert wird. Zur Aufbereitung bestimmter Bauteile, bspw. Turbinenschaufeln, werden einzelne additive Verfahren bereits eingesetzt. Neben diesen wenigen Beispielen fehlt es jedoch an Informationen, für welche Schäden und Bauteile additive Verfahren sinnvoll eingesetzt werden können und welche Verfahren sowie technologischen Prozessketten dies im konkreten sind. Dieser Beitrag gibt einen literaturbasierten Überblick über den bisherigen Einsatz additiver Fertigungsverfahren zur Bauteilreparatur. Es wird dargestellt, welche additiven Verfahren für Additive Repair eingesetzt werden und für welche Reparaturaufgaben Additive Repair angewendet wird. Darauf basierend wird abgeleitet, welche Bauteilmerkmale zur Beurteilung der technischen Machbarkeit von Additive Repair betrachtet werden müssen.

Nicola Ganter, Paul Christoph Gembarski, Roland Lachmayer

Konzepte für die Additive Fertigung optischer Elemente mit hochtransparenten Silikonwerkstoffen

Die additive Fertigung eignet sich zur Herstellung individuell angepasster Freiform-Optiken mit hoher Gestaltkomplexität. Während additive Fertigungstechnologien für klassische Polymere seit vielen Jahren industriell verfügbar sind, befindet sich die additive Fertigung mit hochtransparenten Silikonwerkstoffen noch in der Entwicklung. Die Vorteile von Silikonen verglichen mit thermoplastischen Kunststoffen liegen in der sehr guten Widerstandsfähigkeit gegenüber höheren Umgebungstemperaturen, sowie UV- und Umwelteinflüssen.Durch die Analyse existierender Fertigungsverfahren für Silikonwerkstoffe wird gezeigt, dass die für die Herstellung von optischen Elementen benötigte Formgenauigkeit und Oberflächenqualität eine Herausforderung darstellt. Mit derzeit verwendeten Werkstoffen kann kein hinreichender Transmissionsgrad erreicht werden. Weiterhin müssen die Bauteile eine hinreichende Homogenität aufweisen, um unerwünschte optische Effekte, wie Streuung, Reflexionen und Interferenzen auszuschließen.Um die Herausforderungen existierender Verfahren bezüglich der Herstellung optischer Elemente zu überwinden, werden in diesem Beitrag technische Lösungen erarbeitet und methodisch gegenübergestellt. Anhand dieser Lösungen wird im Anschluss ein Verfahrenskonzept zur additiven Fertigung hochtransparenter, optischer Elemente aus Silikonwerkstoffen beschrieben.

Tobias Biermann, Peer-Phillip Ley, Arved Ziebehl, Jan Feldmann, Roland Lachmayer

Digitalisierung + Klimaschutz + Inklusion = (k)ein Widerspruch?

Der Megatrend zur Digitalisierung ist unbestritten, unaufhaltbar und greift in jeden Arbeits- und Lebensbereich. Ein Leben ohne Internet, PC/Notebook, Handy oder sozialen Medien ist heute kaum mehr vorstellbar. Digitalisierung steigert die Chancen für Innovationen, integriert aber auch die Verantwortung für ihre Folgen. Ein umfassendes und sensibles Nachdenken über die Wechsel- und Folgewirkungen durch die globale Ausbreitung neuer Technologien auf Gesellschaft, Wirtschaft und Umwelt ist unerlässlich. Dass im Sinn einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft durch die Wiederaufbereitung gebrauchter Hardware – IT-Refurbishing bzw. Recycling – nicht nur eine nachweisliche Wirkung auf die Ökobilanz erzielt werden kann, sondern auch wertvolle Arbeitsplätze – insbesondere für sozial beeinträchtigte Gruppen (behinderte Menschen und Langzeitarbeitslose) – geschaffen werden können, zeigt Europas größtes gemeinnütziges IT-Unternehmen – die AfB gGmbH. Das Unternehmen baut mit seinem einzigartigen Businessmodell Social & Green IT die Brücke zwischen Digitalisierung, Klimaschutz und Inklusion.

Kurt Essler, Monika Schmied

7. Auswirkungen des deutschen Braunkohlenbergbaus auf den Chemismus des Grundwassers – Überblick über die Reviere

Die deutsche Braunkohle wird in drei Regionen abgebaut, die sich hinsichtlichihrer heutigen wirtschaftlichen Bedeutung deutlich voneinander unterscheiden: dasRheinische Revier, das Mitteldeutsche und Helmstedter Revier sowie das LausitzerRevier (Abb. 7.1).

Frank Wisotzky, Nils Cremer, Stephan Lenk

Open Access

1. Einleitung

In diesem Kapitel werden wir einige grundlegende Begriffe, die im Zusammenhang mit eingebetteten Systemen benutzt werden, zusammen mit der geschichtlichen Entwicklung vorstellen, sowie auf Möglichkeiten, Herausforderungen und gemeinsame Eigenschaften von eingebetteten und cyber-physikalischen Systemen eingehen. Außerdem werden Aspekte der Ausbildung, Entwurfsabläufe und die Struktur dieses Buches vorgestellt werden.

Peter Marwedel

Kapitel 4. Der Wechselstromkreis

Entsprechend der physikalischen Gesetze wird eine stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld analysiert und festgestellt, dass auf den Leiter im Magnetfeld eine Kraft wirkt und er sich aus dem Magnetfeld herausbewegt.

Cihat Karaali

14. Stoffwechselphysiologie

Die Lebensvorgänge sind an einen ständigen Stoff- und Energieumsatz gebunden. Lebewesen nehmen bestimmte Stoffe und Energie aus der Umgebung auf und geben andere Stoffe und Energie (insbesondere Wärme) an die Umgebung ab. Letztlich stammt die Energie, die der Biosphäre zugeführt wird, überwiegend aus dem Sonnenlicht und wird von den grünen Pflanzen im Prozess der Photosynthese in chemische Energie überführt. Dabei werden aus anorganischen Substanzen organische Verbindungen aufgebaut. Organismen, die aus anorganischen Verbindungen und Energie organische Substanzen aufbauen, bezeichnet man als autotrophe Organismen (Primärproduzenten). Pflanzen nutzen die Lichtenergie, sie sind photoautotroph. Einige Mikroorganismen leben chemoautotroph, d. h. sie nutzen sowohl die Materie als auch die Energie anorganischer Verbindungen. Von den Primärproduzenten leben die heterotrophen Organismen (Konsumenten). Sie sind demnach auf organische Verbindungen, die die Primärproduzenten synthetisieren, angewiesen und decken ihren Energiebedarf ebenfalls aus der aufgenommenen organischen Substanz. Saprophyten unter den Heterotrophen ernähren sich von nicht mehr lebenden Nahrungsquellen, Parasiten von lebenden Organismen (◘ Tab. 14.1; ► Abschn. 16.1.1 ), wobei biotrophe Parasiten auf den lebenden Wirt angewiesen sind, wohingegen nekrotrophe den Wirt abtöten.

Uwe Sonnewald

Kapitel 6. Kristallographische Eigenschaften

Viele Minerale kann man in der Natur als wunderschön gewachsene Kristalle finden und bewundern. Kaum jemand kann sich der Faszination entziehen, die solche Millionen Jahre alten, nach scheinbar rätselhaften Naturgesetzen gewachsenen farbigen und funkelnden Gebilde ausüben. Die KristallographieKristallographie als Teilbereich der Mineralogie beschreibt zunächst einmal im wahrsten Sinne des Wortes (griech. krystalloskrystallos = Eis, Bergkristall; griech. grapho = schreiben) die Kristalle.

Tobias Häger, Ursula Wehrmeister

Kapitel 8. Physikalische Eigenschaften

Physikalische Materialeigenschaften werden durch messbare Werte physikalischer Größen charakterisiert (z. B. Dichte, Härte, Lichtbrechung). Bei der entsprechenden Messung wird die physikalische EigenschaftEigenschaftphysikalische nicht verändert. Mithilfe dieser physikalischen Stoffeigenschaften (Materialkonstanten) lassen sich die unterschiedlichen Materialien beschreiben und zuordnen und deren Verhalten bei unterschiedlichen Bedingungen erklären.

Tobias Häger, Ursula Wehrmeister

Kapitel 9. Chemische Eigenschaften

Die Chemie beschäftigt sich mit grundlegenden Erscheinungen und Gesetzen des Aufbaus der Stoffe, ihrer Eigenschaften und der Umwandlung von Stoffen durch chemische Reaktionen.

Tobias Häger, Ursula Wehrmeister

Kapitel 1. Quantenmechanik: Numerische Methoden

Wir verlassen nun langsam endgültig den Bereich der Halbleiterei, welcher sich der Haushaltselektronik widmet, und wir kommen damit in das Reich der schönen und sehr esoterischen Physik im Bereich der zweidimensionalen, eindimensionalen und nulldimensionalen Elektronensysteme bei tiefsten Temperaturen und höchsten Magnetfeldern. Um dort überleben zu können, braucht es aber spezielle Fertigkeiten, denn die primitiven Methoden im ersten Teil dieses Buches sind zwar gut und wichtig zum grundsätzlichen Verständnis der Probleme, aber wenn Sie mit diesen Methoden hier wirklich etwas ausrechnen wollen, werden Sie wohl nicht weit kommen. Aus diesem Grund werden wir uns jetzt erst einmal mit ein paar numerischen Methoden aufmunitionieren.

Jürgen Smoliner

Kapitel 4. Eindimensionale Elektronensysteme

WennQuantendrahtNanodrahtElektronensystem, eindimensionales zweidimensionale Elektronengase schon drei Nobelpreise abwerfen, sollten eindimensionale Elektronengase oder Quantendrähte noch für ein paar Nobelpreise mehr gut sein, so glaubte man am Anfang. Leider, leider, so war es bisher nicht. Das liegt schon einmal daran, dass man fein säuberlich zwischen Quantendrähten und Nanodrähten unterscheiden muss; die einen zeigen Quanteneffekte, die anderen eben nicht, und wo es keinen Quanteneffekt gibt, da ist heutzutage auch eher kein Nobelpreis.

Jürgen Smoliner

Kapitel 5. Nulldimensionale Elektronengase

Überraschenderweise warenElektronengasnulldimensionales nulldimensionale Elektronengase bisher wissenschaftlich interessanter und auch ergiebiger als eindimensionale Elektronengase. Nulldimensionale Elektronengase sind Elektroneninseln,Elektroneninsel in denen sich die Elektronen nicht weiterbewegen können. Manche Leute reden von künstlichen Atomen und Quanteneffekte gibt es dort so viele, dass sie gleich mehrere Bücher füllen. Viel nützlicher als jeder Quanteneffekt im Quantenpunkt ist erstunlicherweise aber ein klassischer Effekt, und das ist die Coulomb-Blockade. Damit kann man einzelne Elektronen zählen und sogar ein Stromnormal bauen, das Stichwort heißt Elektronenpumpe.

Jürgen Smoliner

Kapitel 1. Werkstoffe in der Elektronik

Natürlich werden in der Elektronik als Werkstoffe auch Leiter (Metalle) und Isolierstoffe (Nichtleiter) benötigt. Den grundlegenden Werkstoff der gesamten Elektronik bilden aber die so genannten Halbleiter. Es sind Feststoffe mit überwiegend kristalliner oder auch amorpher Struktur.

Leonhard Stiny

12. Lebensmitteltoxikologie und -sicherheit

Dioxin in Schweinefleisch, Fipronil in Hühnereiern, Acrylamid in Kartoffelchips, Glyphosat im Bier – Diskussionen über die Sicherheit unserer Lebensmittel gehören zum Alltag, insbesondere wenn medienwirksam festgestellt wurde, dass es zu Überschreitungen der gesetzlichen Höchstmengen in den Lebensmitteln gekommen ist („Lebensmittelskandale“). Mit den modernen analytischen Methoden können auch sehr geringe Konzentrationen chemischer Substanzen in Lebensmitteln nachgewiesen werden, sodass sich die Frage stellt, welche Lebensmittel wir heute überhaupt noch ohne gesundheitliche Bedenken essen können. Stellt nicht jede unerwünschte chemische Substanz eine gesundheitliche Gefährdung für den Verbraucher dar? In der Verordnung EG Nr. 178/2002, der sogenannten Basisverordnung, wird klargestellt, dass Lebensmittel in der Europäischen Union sicher sein müssen. Wie schätzt man das gesundheitliche Risiko ein, welches von unerwünschten Substanzen in Lebensmitteln ausgeht? Auf welche Weise werden die gesetzlichen Höchstmengen überhaupt festgelegt? Welche Risiken gehen von unterschiedlichen Klassen potenziell schädlicher Substanzen in Lebensmitteln aus, z. B. Kontaminanten (polychlorierte Kohlenwasserstoffe), Substanzen, die bei der Lebensmittelzubereitung entstehen (Maillardprodukte), natürlich vorkommende Toxine (pflanzliche Toxine, Pilzgifte), mikrobiell gebildete Toxine (Mykotoxine, Muscheltoxine, bakterielle Toxine), Rückstände von Pflanzenschutzmitteln (Insektizide, Herbizide), Lebensmittelzusatzstoffe (Farbstoffe, Konservierungsmittel) sowie Genussgifte (Ethanol)? Es werden basale Grundlagen für eine toxikologische Risikoabschätzung besprochen sowie bespielhaft die Festlegung und Bedeutung toxikologischer Grenzwerte bestimmter Lebensmitteltoxine erläutert.

Wim Wätjen

Kapitel 7. Keramische Werkstoffe

Als keramische Werkstoffe bezeichnet man üblicherweise aus nichtmetallischen, anorganischen Komponenten aufgebaute Stoffe, die technische Anwendung finden. Neben den schon lange bekannten keramischen Erzeugnissen, wie z.B. Steinzeug, Ton und Porzellan, sind in jüngster Zeit keramische Werkstoffe auf der Basis bestimmter Oxide, Carbide, Nitride und Boride entwickelt und modifiziert worden, die wegen ihrer besonderen Eigenschaften als sogenannte Hochleistungskeramiken oder High-Tech-Ceramics herkömmliche Werkstoffe in einigen Sparten verdrängen sowie ganz neue Werkstoffbereiche erschließen.

Horst Briehl

Kapitel 5. Korrosionsschutz

Bei den Methoden und Maßnahmen zur Vermeidung von Korrosionsschäden am Werkstoff unterscheidet man im Allgemeinen zwischen passivem und aktivem Korrosionsschutz.

Horst Briehl

Kapitel 8. Gläser

Ganz allgemein lässt sich der Werkstoff Glas definieren als ein amorpher Festkörper, der aus einer Schmelze durch Abkühlung oder Abschreckung ohne merkliche Kristallisation erstarrt ist.

Horst Briehl

Kapitel 6. Kunststoffe

Unter der Bezeichnung Kunststoffe versteht man im Allgemeinen halb- oder vollsynthetisch hergestellte makromolekulare Werkstoffe.

Horst Briehl

Kapitel 3. Metallische Werkstoffe

Von den zurzeit 118 bekannten Elementen des Periodensystems sind etwa 85% Metalle oder Halbmetalle, wobei einige (z.B. Arsen, Antimon und Selen) sowohl in metallischen als auch in nichtmetallischen Modifikationen vorkommen.

Horst Briehl

Kapitel 4. Korrosion von Metallen

Unter Korrosion (lat.: corrodere = zernagen, zerfressen) versteht man ganz allgemein das Auftreten von qualitätsmindernden Veränderungen bei Werkstoffen durch Reaktionen mit ihrer Umgebung, die bis zur vollständigen Zerstörung der Werkstoffe und damit zum totalen Ausfall entsprechend konstruierter Geräte, Apparate, Anlagen etc. führen können.

Horst Briehl

Kapitel 2. Werkstoffspezifische Chemie und Anwendungen einiger nichtmetallischer Elemente

Wasserstoff ist das kosmisch häufigste Element. Etwa 92% der Materie des Weltalls bestehen aus Wasserstoff. In der Erdatmosphäre ist das Gas nur in Spuren vorhanden, allerdings steigt mit zunehmender Entfernung von der Erde die H2-Konzentration allmählich etwas an.

Horst Briehl

4. Priorisierung von Digitalisierungsprojekten entlang der gesamten kundenorientierten Prozesskette im Maschinenbau

Die digitale Transformation von Unternehmen des Maschinenbaus hat in den letzten Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Insbesondere die Entwicklung und Nutzung digitaler Technologien eröffnet Unternehmen neue Möglichkeiten zur Verbesserung ihrer internen Prozesse. Jedoch werden aufgrund des Fehlens eines ganzheitlichen digitalen Transformationsansatzes Digitalisierungsprojekte in der Praxis oftmals von einzelnen Fachbereichen initiiert und unabhängig voneinander vorangetrieben. Bestrebungen können somit weder ganzheitlich koordiniert noch können prozessübergreifende Effekte hinreichend berücksichtigt werden. Vor allem die kundenorientierte Betrachtung der gesamten Prozesskette – von der Kundenanfrage bis zur Installation – bietet ungenutztes Potenzial, Unternehmen erfolgreich und ganzheitlich zu digitalisieren. Obwohl in der akademischen Literatur eine Vielzahl von Vorgehensmodellen zur Bewertung und Priorisierung von Projekten im IT-Umfeld beschrieben ist, stoßen diese Vorgehensmodelle in der Praxis, insbesondere bei der Bewertung und Priorisierung von Projekten entlang der gesamten Prozesskette, an ihre Grenzen. Vor diesem Hintergrund stellt dieser Beitrag ein neuartiges Vorgehensmodell vor, das Unternehmen bei der Bewertung und Priorisierung von Digitalisierungsprojekten entlang der gesamten Prozesskette unterstützt. Der entwickelte Ansatz wurde dabei in enger Zusammenarbeit mit einem Unternehmen aus der Branche Maschinen- und Anlagenbau, der TRUMPF GmbH + Co. KG, validiert und die Ergebnisse mit Experten unterschiedlicher Bereiche des Unternehmens verifiziert.

Thomas Pschybilla, Manuela Hofmann, Tobias Enders, Michael Vössing

Open Access

Kapitel 3. Zielausrichtung des Recyclings

Dieses Kapitel befasst sich mit der noch nicht einheitlich festgelegten Zielausrichtung des Recyclings und der CE. Ein wesentlicher Treiber der CE und des Recyclings ist die Befürchtung um die Verknappung mineralischer Ressourcen. Darum wird seit mittlerweile vielen Jahrzehnten eine sehr kontroverse Diskussion geführt. In Abschnitt 3.1 sind die wichtigsten Fakten dieser Diskussion näher beleuchtet, mit dem Ergebnis, dass kein empirischer Beweis für eine drohende Verknappung der Ressourcen existiert. Es besteht also keine Notwendigkeit Recycling als Maßnahme der Ressourcenschonung auszulegen. Vielmehr sollte Recycling anhand der Aufwände und damit verbundenen Umweltbelastungen bewertet und mit der primären Gewinnung verglichen werden. Der Energiebedarf ist als einheitlicher Aufwandsindikator identifiziert, der Kommensurabilität der beiden Gewinnungsmethoden ermöglicht – siehe hierzu Abschnitt 3.2 und 3.3.

Philipp Schäfer

Open Access

Kapitel 4. Methodisches Vorgehen

In diesem Kapitel ist das methodische Vorgehen beschrieben, anhand dessen die eingangs formulierten Forschungsfragen (1), (2) und (3) beantwortet sind. Nach der Definition des Untersuchungsrahmens und der Systemgrenzen sind die theoretischen Grundlagen der Modellbildung der Recyclingsysteme erläutert. Für diese Modelle sind umfangreiche Datengrundlagen notwendig. Wie diese Daten ermittelt sind und wie in diesem Zusammenhang mit Unsicherheiten und Allokationsproblematiken umgegangen wird, ist in Abschnitt 4.3 behandelt. Um die zentrale Forschungsfrage (3) der Arbeit zu beantworten – bis zu welcher EoL-RQ Recycling praktiziert werden sollte – ist abschließend eine Optimierungsmethode ausgewählt und ausführlich beschrieben.

Philipp Schäfer

Open Access

Kapitel 2. Grundlagen des Metallrecyclings

Das Recycling von Metallen wird zwar schon jahrhundertelang praktiziert, es ist allerdings heute so umfassend und komplex wie nie zuvor. Das bedarf einiger grundlegenden Begriffsdefinitionen und Verfahrensbeschreibungen, die Abschnitt 2.1 entnommen werden können. Wo genau die Schwierigkeiten beim Metallrecycling liegen – insbesondere vor dem Hintergrund der in der Einleitung beschriebenen Entwicklungen der sekundären Quellen – ist in Abschnitt 2.2 erläutert.

Philipp Schäfer

Open Access

Kapitel 1. Einleitung

Zu Beginn dieses Kapitels ist ein kurzer Abriss der Historie des Recyclings und der Entwicklung der Circular Economy (CE) gegeben. Recycling – das zentrale Thema dieser Forschungsarbeit – ist keineswegs ein neues Phänomen, sondern vielmehr beinahe so alt wie die Menschheit. Heute ist Recycling insbesondere als wesentliche Strategie der CE bekannt und daher als wesentlicher Teil der Nachhaltigkeits- sowie Umwelt- und Ressourcenschutzdebatte stark propagiert und politisch forciert. Allerdings weist die CE – wie sie derzeit angestrebt wird – noch einige Inkonsistenzen auf, die sich auch auf die Zielausrichtung des Recyclings auswirken und nun in der Wissenschaft vermehrt diskutiert werden.

Philipp Schäfer

Open Access

Kapitel 6. Übergreifende Auswertung der Ergebnisse

Die ermittelten und analysierten Daten zu den Recyclingverfahren der Beispielmetalle Kupfer, Tantal und Kobalt sind in diesem Kapitel in den übergreifenden Kontext des Metallrecyclings eingeordnet und ausgewertet. Dabei sind die wesentlichsten Einflussfaktoren auf die Recyclingaufwände in Abschnitt 6.1 anhand der empirischen Datenbasis aus Kapitel 5 identifiziert und diskutiert (Antwort auf Forschungsfrage (4)). Anhand dieser Datenbasis ist in Abschnitt 6.2 ein approximativer generischer Modellansatz zur Abschätzung der Energiebedarfe des Recyclings abgeleitet. Damit ist die Antwort auf die Forschungsfrage (5) gegeben. In Abschnitt 6.3 ist analysiert, welche Faktoren die aktuellen EoL-RQ beeinflussen, was auf globaler Ebene tatsächlich recycelt wird und welche Potenziale für weitere Einsparungen an Energieeinsatz und THGE durch Recycling noch existieren. Zudem ist darauf eingegangen inwieweit politische Interventionen notwendig sind bzw. vorgenommen werden sollten, um Recycling stärker hinsichtlich der Reduktion von Energieeinsatz und THGE auszurichten. Dieser Abschnitt befasst sich damit mit der Forschungsfrage (6).

Philipp Schäfer

Open Access

Kapitel 5. Exemplarische Anwendung

Das in Kapitel 4 beschriebene methodische Vorgehen ist in diesem Kapitel auf drei exemplarische Metalle – Kupfer, Tantal und Kobalt – angewandt. Die dabei generierten Ergebnisse liefern Antworten zu den Forschungsfragen (1), (2) und (3). Die drei Beispielmetalle sind in den Abschnitten 5.2– 5.4 abgehandelt. Jeder dieser Abschnitte erläutert zu Beginn die Bedeutung des jeweiligen Metalls und gibt eine kurze Beschreibung über die Ermittlung dessen sekundärer Quellen. Danach ist eine kurze Beschreibung der wichtigsten Recyclingverfahren und der darauf aufbauenden Recyclingmodelle gegeben. Die Auswertungen der Recyclingmodelle sind nach dem Status Quo sowie nach Parametervariationen vorgenommen und diskutiert. Ebenso die sind die Massenbilanzen und die Ergebnisse der energetischen Optimierung der KEA beschrieben. Auf eine detaillierte Erläuterung der Ermittlung der Datengrundlage der Modelle und Massenbilanzen ist in diesem Kapitel verzichtet. Diese kann dem Appendix II des elektronischen Zusatzmaterials entnommen werden.

Philipp Schäfer

Open Access

Kapitel 8. Fazit

Recycling und CE sollen eine nachhaltige Entwicklung unterstützen – darüber ist man sich in der Literatur bereits einig. Wie dieses Ziel genau erreicht werden soll, unterliegt allerdings noch keinem Konsens. Dennoch sind Recycling und das Konzept der CE mittlerweile zentraler Bestandteil zahlreicher politischer Aktionspläne und die Vision der vollständig geschlossenen Materialkreisläufe ist dabei sich zu etablieren.

Philipp Schäfer

Open Access

Kapitel 7. Diskussion

In diesem Kapitel sind die Methoden, Auswertungen und Ergebnisse der vorliegenden Arbeit kritisch reflektiert. Abschnitt 7.1 diskutiert vor dem Hintergrund des sich wandelnden globalen Energiesystems die zukünftige Entwicklung der Relevanz des KEA als Aufwandsindikator. Dabei sind ebenso die mit der Energiesystemtransformation verbundenen Implikationen für die Metallbereitstellung adressiert. In Abschnitt 7.2 ist auf die Einschränkungen und Unsicherheiten der erstellten Recyclingmodelle und vorgenommenen Auswertungen eingegangen. Eine weitere wesentliche und weitreichende Einschränkung bezieht sich auf die, für die vorgenommenen Auswertungen der KEA-optimierten EoL-RQ unumgängliche, Ein-Metall Betrachtung. Abschnitt 7.3 beinhaltet eine ausführliche Diskussion dieser Einschränkung und gibt Empfehlungen für weitere Forschungen.

Philipp Schäfer

Kapitel 4. Brasilien unter dem Lulismus

In der Folge werden Genese und Entwicklung des Lulismus und des damit einhergehenden Reformzyklus und -projekts beleuchtet. Zudem werden die in dieser Arbeit verwendeten Einfluss- und Faktoren für die wirtschafts- und entwicklungspolitische Agenda bzw. Strategie analysiert.

Raphael M. Peresson

Kapitel 10. Anforderungen und Matching von Kapazitäten für die kollaborative additive Fertigung

In diesem Kapitel werden auf Basis einer Interviewstudie betriebswirtschaftliche und technische Anforderungen an einen Marktplatz für den Handel additiver Fertigungskapazitäten definiert. Dabei liegt der Fokus auf den technischen Anforderungen, welche sich in den Kategorien Qualität, Material, additive Fertigungsverfahren, Verwendungszweck und Nachbearbeitung widerspiegeln. Aus diesen Anforderungen wurde ein Meta-Modell abgeleitet, das Aufträge (Produkte) mit Verkaufsangeboten (verfügbare Fertigungsverfahren und -geräte) abgleicht und dabei spezifische Produktanforderungen berücksichtigt.

Chiara Freichel

Kapitel 6. Additive Fertigungsverfahren

Aufgrund der Vielzahl von additiven Fertigungsverfahren wird in diesem Kapitel eine Einordnung in unterschiedliche Kategorien vorgenommen. Gegliedert wird dabei in Flüssigmaterialverfahren, Freiraumverfahren und Pulverbettverfahren sowie innerhalb dieser drei Gruppen in weitere Detail-Prozessklassen. Es wird zusätzlich untersucht, welche Materialien von welchem Fertigungsverfahren verarbeitet werden können. Analysiert werden Verfahren für Kunststoffe und Metalle. Nach einer Erläuterung der Prozessabläufe und Funktionsweisen wird detailliert auf die Charakteristika additiver Fertigungsverfahren und -geräte, wie z. B. Material, Bauraumgröße oder Schichtdicke, eingegangen.

Chiara Freichel

Kapitel 12. Datenstrukturen in Informationssystemen für unternehmensübergreifenden Kapazitätshandel

In diesem Kapitel gilt es zu überprüfen, welche Informationen in Informationssystemen aus der Praxis zu den betriebswirtschaftlichen und technischen Anforderungen für den Handel mit additiven Fertigungskapazitäten erzeugt und gespeichert werden können. Das Meta-Model aus Kapitel 10 bietet die Grundlage für die Analyse der Datenstrukturen in fünf verschiedenen ERP-Systemen. Zur Darstellung notwendiger Daten werden die Ergebnisse als relationale Datenbankmodelle festgehalten. Mittels der Datenbankmodelle können Aussagen über die Eignung eines ERP-Systems in Zusammenhang mit dem elektronischen Marktplatz getroffen werden.

Fabian Paul, Chiara Freichel

Kapitel 5. Konventionelle vs. additive Fertigung

Die additive Fertigung umfasst eine Reihe von Fertigungsverfahren, bei denen durch schichtweises Auftragen von Material ein dreidimensionales Objekt gefertigt wird. In direkter Konkurrenz zu den additiven Methoden stehen die konventionellen Fertigungsverfahren, die entweder durch Abtragung oder Veränderung von Ausgangsmaterial die gewünschte Form erschaffen. Wenn bei der Herstellung ein Verlust von Ausgangsmaterial auftritt, dann wird der Begriff der subtraktiven Fertigung genutzt. Dieser Begriff unterstreicht die grundsätzliche Verschiedenheit der beiden Fertigungstechniken. In diesem Kapitel werden zunächst gängige konventionelle und additive Fertigungsverfahren beschrieben und dann im Folgenden miteinander verglichen. Dazu werden vergleichbare Eigenschaften der Verfahren abgeleitet sowie Vor- und Nachteile der verschiedenen Fertigungstechniken diskutiert.

Steven Schwehm

57. Spanlose Fertigung

Unter Urformen versteht man das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff. Formlose Stoffe sind Gase, Flüssigkeiten, Pulver, Granulate und Späne.– Einzelne UrformverfahrenGießen: Stoff in flüssigem oder breiigem Zustand wird in eine geometrische Form gebracht. Sintern: Formloser Stoff in festem Zustand (Pulver) wird gemischt und durch Pressen und nachfolgende Wärmebehandlung in eine geometrische Form gebracht.

Wolfgang Böge, Prof. Dr.-Ing. Marcus Kampf

16. Nichteisenmetalle

Geringere Vorkommen an z. T. armen Erzen und dadurch aufwändige Verhüttung führen gegenüber Stahl zu höheren Preisen für NE-Metalle. Ihr Einsatz ist notwendig, wenn besondere Eigenschaften gefordert werden, die Stähle nicht erbringen.

Wolfgang Weißbach

11. Festigkeitslehre

Die Festigkeitslehre ist ein Teil der Mechanik. Sie behandelt die Beanspruchungen, das sind die Spannungen und Formänderungen, die äußere Kräfte (Belastungen) in festen elastischen Körpern (Bauteilen) auslösen.Die mathematisch auswertbaren Erkenntnisse werden benutzt zur Ermittlung der Abmessungen der „gefährdeten“ Querschnitte von Bauteilen (Wellen, Achsen, Bolzen, Hebel, Schrauben usw.) für eine nicht zu überschreitende sogenannte zulässige Beanspruchung des Werkstoffs (Querschnittsnachweis) und zur Kontrolle der im gegebenen gefährdeten Querschnitt vorhandenen Beanspruchungen und Vergleich mit der zulässigen Beanspruchung (Spannungsnachweis). Dabei werden ausreichende Sicherheit gegen Bruch und zu große Formänderung, aber auch Wirtschaftlichkeit der Konstruktion erwartet.In der Konstruktion ist es vorteilhaft, die Abmessungen der Bauteile zunächst anzunehmen. Mit den Gesetzen der Festigkeitslehre werden dann die vorhandenen Spannungen und Formänderungen bestimmt und mit den zulässigen verglichen.Die Erkenntnisse der Festigkeitslehre bauen auf den Gesetzen der Statik auf und lassen sich nur im Zusammenhang mit den Erkenntnissen der Werkstofftechnik, Werkstoffkunde und (-prüfung) anwenden.In der Statik werden die von Bauteil zu Bauteil übertragenen inneren Kräfte (innere Kräfte im Sinn einer mehrteiligen Konstruktion) durch „Freimachen“ des betrachteten Bauteils zu äußeren Kräften gemacht und dann mit Hilfe der Gleichgewichtsbedingungen die noch unbekannten Kräfte und Kraftmomente bestimmt.

Gert Böge, Wolfgang Böge, Prof. Dr.-Ing. Dominik Surek

45. Grundlagen der Fördertechnik und der Intralogistik

Die Gebiete ″Fördertechnik″ und ″Intralogistik″ werden definiert und abgegrenzt. Bezüglich der Fördertechnik werden die Anwendungsgebiete und die wichtigen Begriffe und Methoden erklärt (z.B. Komponenten-Anlagen -Systeme). Die Methoden der Baukastensystematik, der Standardisierung und der Baureihenbildung werden erläutert.Ausführlich behandelt werden die Bauelemente der Fördertechnik und deren Dimensionierung (z.B. Drahtseile und Seiltriebe, Ketten und Kettentrommeln), und Lastaufnahmeeinrichtungen (z.B. Lasthaken, Schüttgutgreifer und deren Berechnung, und Container aller Art).Zur Intralogistik wird für Maschinenbauer eine Einführung gegeben. Die über die Fördertechnik hinausgehenden Ziele (z.B. Material und Informationen und Energie″ in time″ bereitzustellen), und die Mittel dazu, (z.B. Organisation, Digitalisierung, Vernetzung) werden beschrieben. Wichtige logistische Fachausdrücke (z.B. Supply Chain, Simulation, cyberphysische Systeme, Digitaler Schatten) werden verständlich erklärt.

Dr.-Ing. Johannes Sebulke

14. Metalle

Die technisch wichtigen Metalle haben Kristallgitter mit hoher Regelmäßigkeit und dichter Packung (kubisch, hexagonal). Nur Zinn ist tetragonal. Neben der dichten Packung der Atome in Schichten ist die Metallbindung die Voraussetzung für die beiden wichtigen Metalleigenschaften:– Elektrische Leitfähigkeit durch freie Elektronen im Kristallgitter,– Plastische Verformbarkeit durch Platzwechsel der Metallionen im Gitter, wobei die freien Elektronen die metallische Bindung aufrecht erhalten.

Wolfgang Weißbach

13. Werkstoffliche Grundlagen

Alle Produkte der Technik – von Dienstleistungen abgesehen – bestehen aus Werkstoffen:Das Produkt muss mit seinen gewählten Werkstoffen die Anforderungen des Erwerbers oder Benutzers erfüllen:– zuverlässige Funktion über die Lebensdauer (Leistung, Traglasten, Geschwindigkeiten),– niedrige Betriebskosten (Schmierung, Korrosionsschutz, Wartung) oder– Regenerationsmöglichkeit bei großen Teilen.

Wolfgang Weißbach

18. Werkstoffe besonderer Herstellungsart

Pulvermetallurgie (PM) befasst sich mit der Herstellung von Metallpulvern und Bauteilen daraus. PM gehört damit zum Fertigungsbereich Urformen. Die Begriffe sind nach DIN EN ISO 3252/01 genormt. Im Unterschied zum Gießen ist der Materiezustand beim Formen fest (evtl. teilflüssig beim Sintern mit flüssiger Phase). Deshalb sind PM-Teile i. A. porös. Die Porosität ist vom Pressverlauf abhängig, beginnt mit 30% und kann durch Sinterschmieden oder Tränken auf null gebracht werden. Mit der Dichte steigen Festigkeit und Zähigkeit.

Wolfgang Weißbach

64. Abtragende Werkzeugmaschinen (Auswahl)

In Anlehnung an DIN 8590, in der die die Einteilung der abtragenden Verfahren erfolgt, werden die abtragende Werkzeugmaschinen klassifiziert und in diesem Kapitel als Beispiele Schneid- und Senkerodiermaschinen, Laserstrahlbearbeitungsmaschinen und Wasserstrahlschneidanlagen betrachtet.

Prof. Dr. Andreas Hirsch, Werner Bahmann

31. Sensoren und Aktoren

Ein mechatronisches System benötigt Informationen, die seinen inneren Zustand beschreiben. Außerdem muss es weitere Informationen aus seiner Umwelt erfassen können. Für alle diese Aufgaben benötigt man Sensoren. Für die Erzeugung von Bewegungen, oder das Aufbringen von Kräften und Momenten, werden in mechatronischen Systemen Antriebe (Aktoren oder Aktuatoren) benötigt.Das vorliegende Kapitel erläutert die Begriffe Sensor und Aktor. Weiterhin werden die verschiedensten physikalischen Messeffekte dargestellt, die in Sensoren für die Informationserfassung eingesetzt werden und typische Messverfahren und ihr Einsatz in Sensoren erläutert.Bei den Aktoren wird zwischen „klassischen“ Aktoren wie Elektromotoren und Hydraulikzylindern unterschieden und Aktoren, die auf neuartigen Wirkprinzipien wie dem reziproken piezoelektrischen Effekt, dem Formgedächtnis von Legierungen oder dem Dehnstoffverhalten beruhen. Der Schwerpunkt liegt hier bei diesen „neuartigen“ Aktoren.

Prof. Dr.-Ing. Werner Roddeck

20. Werkstoffprüfung

Schwerpunkt des Abschnittes sind die Prüfverfahren, welche Eigenschaftskennwerte liefern, die für die Beurteilung von Werkstoffen wichtig sind. Dazu gehören auch einige Versuche über die Eignung für bestimmte Fertigungsverfahren. Wichtige Aufgaben der Werkstoffprüfung sind außerdem:– Fehlersuche an Vormaterial und Fertigteilen (Qualitätssicherung) durch zerstörungsfreie Prüfungen,– Überwachung der Wärmebehandlung und deren Einfluss auf das Gefüge,– Bestimmung unbekannter Werkstoffe, Trennung von vertauschtem Material.

Wolfgang Weißbach

17. Kunststoffe (Polymere)

Polymere bestehen aus Riesen- oder Makromolekülen, die durch chemische Reaktionen aus einfachen, niedermolekularen Verbindungen entstehen, den Monomeren. Ausgangsstoffe sind überwiegend Kohlenwasserstoffe (KW), die größte Gruppe der C-Verbindungen. Sie müssen reaktionsfähige Stellen besitzen, das sind OH-Gruppen oder Doppelbindungen.Eine Ausnahme bilden die Silikone, bei denen das Silicium Si (gleiche Gruppe PSE wie C, gleiche Außenelektronen) zur Kettenbildung fähig ist.Das C-Atom kann 4 Elektronenpaarbindungen mit anderen Atomen eingehen, aber auch die C-Atome unter sich. Die Bindungs„arme“ sind tetraedrisch angeordnet, sodass Kettenmoleküle nicht gestreckt, sondern geknickt vorliegen (Knäuelstruktur). Die Bindungen sind biege- und drehelastisch, Voraussetzung für eine plastische Verformung in der Wärme. Dabei erfolgt eine Streckung mit evtl. Orientierung der Ketten. Durch das Rückstellvermögen der Tetraederbindung entsteht Verzug beim Wiedererwärmen gespritzter Teile, die schnell abgekühlt werden (Einfrieren der gestreckten Molekülform). Anwendung z. B. bei Schrumpffolien.

Wolfgang Weißbach

19. Korrosion, Verschleiß und Schutzmaßnahmen

Die Beanspruchung der Oberfläche durch Korrosion und Verschleiß führen zu Materialverlust, der Störungen der Bauteilfunktion verursacht und zu hohen Kosten und Folgekosten durch Ausfall führen kann. Abhilfe wird durch Werkstoffwahl oder Oberflächenschutzschichten erreicht.

Wolfgang Weißbach

15. Eisenwerkstoffe

Stahl ist schmiedbares Eisen, das deswegen unlegiert einen C-Gehalt von 1,7% nicht übersteigen darf und geringste Gehalte an P, S, O, und N besitzen muss. Für die Erzeugung haben sich zwei Erzeugungslinien durchgesetzt.Das Endprodukt ist ein Rohstahl. Er enthält Nichtmetalle, die bei der Erzeugung durch Erze, Koks und Zuschlagstoffe in Roheisen und Stahl gelangen, unterschiedliche Wirkung auf die Eigenschaften haben und im Gehalt begrenzt werden müssen. Stahlnormen enthalten Grenzwerte dieser Stoffe.

Wolfgang Weißbach

35. Stoffschlüssige Verbindungen

Unter Kleben versteht man das Verbinden von Teilen aus gleichen oder verschiedenartigen Werkstoffen mit nichtmetallischen Klebstoffen. Normalerweise entsteht eine Klebverbindung bei Raumtemperatur ohne Druckeinwirkung. Die Verarbeitung einiger Klebstoffe setzt jedoch auch höhere Drücke und Temperaturen bis ca. 150 °C voraus.Die Festigkeit einer Klebverbindung wird durch die Haftung eines Klebstoffs an der Werkstückoberfläche (Adhäsion) und seine Bindekräfte zwischen den Klebstoffmolekülen (Kohäsion) bestimmt.Durch Entwicklung von Klebern hoher Bindefestigkeit wird das Kleben als Verbindungsart auch metallischer Bauteile im zunehmenden Maß verwendet, insbesondere im Leichtmetallbau, im Flugzeugbau für Tragflächen, Rumpfblechversteifungen, Tür- und Fensterrahmen, in der Elektrotechnik für magnetische Spannplatten, Transformatoren- und Statorbleche, Geräte und Apparate, im Kraftfahrzeugbau für Reibbeläge bei Kupplungen und Bremsen, ferner in der Kunststoffindustrie, bei Spiel-, Leder- und Verpackungswaren und im Bauwesen für Wand- und Fußbodenplatten.Vorteile gegenüber anderen Verbindungselementen: Verbinden verschiedenartigster Werkstoffe; keine Werkstoffbeeinflussung; keine Schwächung der Bauteile durch Niet- oder Schraubenbohrungen.Nachteile Geringere spezifische Festigkeit gegenüber Schweißen oder Nieten; geringe Schälfestigkeit; Stumpfstöße kaum möglich; teilweise längere Aushärtungszeiten erforderlich.

Gert Böge, Wolfgang Böge, Prof. Dr.-Ing. Marcus Kampf

24. Wärmeübertragung

Die Wärmeleitung, der Wärmeübergang und der Wärmedurchgang werden beschrieben. Als Kenngrößen werden die Wärmeleitfähigkeit λ, der Wärmeübergangskoeffizient α und der Wärmedurchgangskoeffizient k benannt sowie geeignete Berechnungsgleichungen für die Wärmeleitung, den Wärmeübergang und den Wärmedurchgang angegeben. Weiter wird auf die Wärmestrahlung eingegangen; das Gesetz von Stefan und Boltzmann für die Wärmestrahlung des idealen schwarzen Körpers sowie dessen Modifikation für die Wärmestrahlung eines wirklichen Körpers werden erläutert.

Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli

8. Chemie

Chemie ist die Lehre von den Stoffen und Stoffänderungen. Durch chemische Reaktionen (Synthese) entstehen aus Ausgangsstoffen (Edukte) andere Stoffe (Produkte) mit neuen Eigenschaften.Chemische Elemente (Grundstoffe) bestehen aus gleichartigen Atomen und sind durch chemische Reaktionen nicht weiter zerlegbar; z. B. Wasserstoff, Sauerstoff, Eisen.Das Kapitel beleuchtet den Aufbau der Materie auf Basis des Periodensystems, die Verknüpfung von Werkstoffeigenschaften und chemischer Bindung; Typen chemischer Reaktionen; Wesen, Eigenschaften und Berechnung von Säuren, Basen und Fällungsreaktionen; die elektrochemischen Grundlagen zum Verständnis von Batterien und Elektrolyseuren, abschließend ein Einblick in die Vielfalt und Nomenklatur organisch-chemischer Verbindungen.

Prof. Dr. Peter Kurzweil

26. Einführung und Grundlagen

In Kapitel Einführung und Grundlagen werden zunächst einige zum Verständnis notwendige physikalische Grundlagen dargestellt. Die für die Elektrotechnik wichtigen Effekte und Größen werden vorgestellt, die elektrischen Kräfte und Stromarten erwähnt. Die Grundgleichung der elektrischen Arbeit und Leistung sowie die des Wirkungsgrades und der Energie werden erläutert. Den Abschluss des Kapitels bilden einige Details zu Stromkreisen.

Berthold Heinrich

Der Marketing Pfadfinder – Die B2B-Marketing-Reise eines KMUs

Als mittelständisches österreichisches Unternehmen ohne einen Großinvestor im Hintergrund ist es eine besondere Herausforderung, in der aufstrebenden Branche 3D-Druck zu überleben und sich im immer härter werdenden Wettbewerb zu behaupten. Entscheidend dafür ist der richtige Marketing-Mix, bei dem sich der Schwerpunkt zunehmend in den Online-Bereich verlagert. Ich versuche zu erklären, warum Online-Marketing unverzichtbar ist, Messen dennoch eine gewisse Bedeutung haben und auch traditionelle Werbeformen ihre Berechtigung und ihren Platz im Marketing-Mix haben. Ich versuche auch aufzuzeigen, wie wir verschiedene Ansätze ausprobiert, unsere Stärken und Schwächen analysiert (S.W.O.T.) und unsere Buyer PersonasBuyer Persona entwickelt und damit den für uns passenden Marketing-Pfad gefunden haben. Ich möchte auch erklären, warum es notwendig ist, diesen Pfad immer wieder neu zu erschaffen und zu verändern, um weiterhin einer der europäischen Markt- und Technologieführer zu bleiben sowie unsere Absatzziele und gesundes Wachstum zu erreichen.

Stefan Prath

Kapitel 2. Stand der Technik

Dieses Kapitel dient der Darstellung der relevanten Technologien und physikalischen Hintergründe. Da alle Untersuchungen im Kontext der Additiven Fertigung stehen, werden in Abschnitt 2.1 zunächst die grundlegenden Begrifflichkeiten und Prinzipien der Additiven Fertigung erläutert. Der Fokus liegt hierbei auf dem Laserstrahlschmelzen. Abschnitt 2.2 ist den Grundlagen der digitalen Prozesskette und dem algorithmengestützten Design gewidmet.

Arnd Struve

Kapitel 20. Unterlagen zur Berechnung

Hier sind Informationen für die Berechnung von physikalischen Daten für den Auswuchtprozess, sowie für Unwuchten und den Unwuchtausgleich zusammengefasst. Dezimale Vielfache und Teile von Einheiten können durch Voranstellen von bestimmten Vorsilben (Vorsätzen) vor dem Namen der Einheit bezeichnet werden, Tab. 20.1. Leider werden auch heute noch in einigen wichtigen Industrieländern der Welt Einheiten verwendet, die nicht dem SI-Maßsystem entsprechen. So kann es also passieren, dass bei der Schilderung einer Auswuchtaufgabe inch, pound und davon abgeleitete Einheiten genannt werden. Die folgenden Angaben sollen Ihnen den Übergang von einem Maßsystem auf das andere erleichtern, Tab. 20.2. Mit Hilfe der Nomogramme können schnell verschiedene Überschlagsrechnungen gemacht werden, s. Abb. 20.4 bis 20.11. Die Diagramme dienen dazu, schnell einige physikalische Daten zu ermitteln, z.B.: Massen bzw. Unwuchten zu überschlagen – bei unterschiedlichen Materialien, Bohrungen mit/ohne Bohrkegeln, oder bei sehr speziellen Ausgleichsmethoden, s. Abb. 20.12 bis 20.25.

Hatto Schneider

Kapitel 4. Die Wirkung wird zur Ursache

Das logische Prinzip der Rückkopplung und seine Folgen

Nun haben wir einen größeren, aber hoffentlich unterhaltsamen Umweg gemacht. Über das Phänomen der Selbstbezüglichkeit, die daraus entstehenden Paradoxien und einige Anmerkungen zu den Grundlagen von Systemen kommen wir nun zum eigentlichen Thema, der Rückkopplung.

Jürgen Beetz

Kapitel 4. Der thermische Zwilling

Wir wollen praktische Beispiele für die Wärmeleitung in einem Kühlkörper aus Aluminium und einem Sonnenkollektor betrachten. Die Temperatur eines Körpers ergibt sich aufgrund des Wärmetransportes mit seiner Umgebung oder durch Umwandlungsprozesse und chemische Reaktionen in seinem Inneren. Beim Wärmetransport betrachtet man im Wesentlichen Wärmeleitung, Konvektion sowie den Wärmetransport durch Strahlung. Es ist wichtig, welche Masse ein Körper hat. Damit können wir errechnen, wieviel Wärme gespeichert werden kann und welche Temperatur er annimmt. Alle Einzelvorgänge können jeweils durch unterschiedliche digitale Zwillinge beschrieben werden. Zum Abschluss werden weiterführende Arbeitsvorschläge werden angeben.

Frank Ulrich Rückert, Michael Sauer

1. Was ist Geld?

Die Erfindung des Geldes ist sicherlich eines der wichtigsten Ereignisse in der menschlichen Entwicklung. Mit Geld können Menschen und Gesellschaften große Herausforderungen bewältigen. Geld verschafft jedem Individuum Sicherheit und eine berechenbare Zukunft. Kann eine digitale Währung Geld von Fiskalpolitik trennen?

Graf Quirin Adelmann v. A., Derek Sheeler

Geld- und Vermögensanlage

Wolfgang Grundmann, Rudolf Rathner

5. Die modale Analyse bei ungedämpften Strukturen und Strukturen mit Proportionaldämpfung

Bei der Analyse der freien Schwingungen zeigte sich beim ungedämpften System, dass sich die Schwingungsantwort unabhängig von den Anfangsbedingungen stets aus den reellen Eigenvektoren uk zusammensetzt, die mit ihren zugeordneten Eigenkreisfrequenzen harmonische Schwingungen ausführen, vgl. (4.26) und Abb. 4.2, für das behandelte Beispiel sowie (4.23). Es liegt daher der Verdacht nahe, dass auch bei erzwungenen Schwingungen ein Ansatz erfolgreich sein kann, der die Antwort des Systems aus den Beiträgen der einzelnen Eigenformen aufbaut.

Robert Gasch, Klaus Knothe, Robert Liebich

Kapitel 6. Lieferantenmanagement

Im Jahr 2009 verkündete der Siemens Konzern, dass er sich von 20 % seiner 370.000 Lieferanten trennen will. Dies bedeutet, dass Siemens sich von 74.000 Lieferanten trennen wird.Nicht jedes Unternehmen hat 370.000 Lieferanten. Aber große Konzerne haben trotzdem tausende von Lieferanten in ihrem Lieferantenkatalogen. Diese Zahlen verdeutlichen, welche Bedeutung dem Lieferantenmanagement heute zukommt.

Helmut H Wannenwetsch

Kapitel 12. Marketing-Intelligence: Zwischen Key-Performance und Kreativität – zwischen Digitalisierung, Digitalität und Digitalismus

Marketing-Intelligence begegnet der Marketingpraxis einerseits als statistisch-analytischer Treiber des Performance-Marketings und andererseits als Treiber des Kreativmarketings. Dieser Beitrag fragt, ob mit dem Performance-Marketing ein analytisch-methodisches Optimierungspotenzial propagiert wird, dessen Beweisführung noch gar nicht möglich ist. Nach einer rahmengebenden Kennzeichnung der Begriffe Digitalisierung, Digitalität und Digitalismus legt dieser Beitrag eine Phase wachsender Digitalität dar. Sie ist vom Performance-Marketing mit dem Paradigma der Kennzahlenerfüllung sowie der Popularität der Social Media mit dem Content-Marketing und dem hiermit getriebenen Inbound-Paradigma geprägt. Mit dieser polarisierenden Gegenüberstellung soll eine Methodenspaltung pointiert werden, die die Marketingpraxis warnt, dass Marketing-Intelligence als Performance-Marketing sich bestenfalls in einer Frühphase befindet.

Jan Lies

„Digitalisierung“ der Energiewende – flexibel, transparent und sicher gestalten

Digitalisierung bringt durch die „Algorithmisierung“ von Vorgängen eine neue Machtstruktur durch Kontrolle und Steuerung von technischen Einrichtungen, des Verhaltens der Menschen und somit der Gesellschaft hervor. Daher ist eine Kontrolle und Offenlage der Algorithmen mit einem hohen Datenschutz zu verbinden. Im Energiebereich ist für eine erfolgreiche Energiewende eine Regelung von Volatilität und Flexibilität von Energieerzeugung und Energienutzung unabdingbar. Es sollten zellulare autonome (Autonomie bedeutet technische und gesellschaftliche Eigenständigkeit; Autarkie im Sinne von abgeschlossener Selbstversorgung ist nicht das Ziel) und regionale Strukturen für die Versorgungssicherheit und die demokratische Mitwirkung der Bürgergesellschaft geschaffen werden. Die Energieeinsparung muss den „digitalen“ Mehraufwand deutlich übertreffen. Nachhaltigkeitsprüfungen unabhängiger Instanzen für digitale Produkte, ob Hardware oder Software, sind dringend gefordert.

Werner Neumann

MILLIMETERPAPIER

Der Plan zur Berechnung von Pi beruht auf den Ideen zweier Franzosen aus dem 17. Jahrhundert. Sie haben die Jahrtausende alte Geometrie der Griechen revolutioniert, indem sie Punkten "Adressen" zuordneten und dadurch das Rechnen mit Kurven und Figuren ermöglichten.

Edmund Weitz

33. Reaktoren für spezielle technisch-chemische Prozesse: Mikrowellenreaktoren

Das Kapitel beschreibt nach einem kurzen historischen Abriss die Technologie und die Vorteile moderner MikrowellenreaktorenMikrowellenreaktoren für die chemische Synthese. Nach kompakter Diskussion wichtiger Reaktionsparameter und deren Kontrolle sowie Besonderheiten in der Anwendung von Mikrowellentechnologie folgt eine Übersicht relevanter chemischer Transformationen, die erfolgreich in Mikrowellenreaktoren umgesetzt wurden. Zahlreiche Verweise auf wissenschaftliche Publikationen runden den Überblick ab.

Alexander Stadler, Andrea Härter

1. Historischer Abriss zur Entstehung und Entwicklung der Chemischen Reaktionstechnik

Die Geschichte der Reaktortechnologie begleitet den Menschen seit seinen ersten Werkzeugentwicklungen und kulturellen Handlungen. Erste schriftliche Überlieferungen über stoffliche Umwandlungen sind aus den Hochkulturen in Mesopotamien, Ägypten und China bekannt. Von Alexandria wurde das Prozesswissen über Damaskus, Bagdad und Spanien nach Europa überliefert und dort während des Mittelalters zur Blüte in der Erz- und Metallverarbeitung sowie der Textilindustrie entwickelt. Die Industrialisierung schaffte eine Nachfrage nach anorganischen Produkten, während die aufkommende Teerchemie eine Vielzahl organischer Verbindungen ermöglichte. Die Reaktortechnologie entwickelte sich mit größeren Produktionsmengen, wie auch technischen Möglichkeiten von hohen Drücken und Temperaturen. Von 1850 bis 1940 wurden sehr viele neue Technologien eingeführt, die bis heute optimiert wurden. Digitale Technologien und erneuerbare Rohstoffe werden die zukünftige Entwicklung bestimmen.

Norbert Kockmann

37. Spezielle labortechnische Reaktoren: Hochdurchsatz-Reaktionstechnik

In diesem Kapitel des Handbuchs Chemischer Reaktoren werden Ansätze zur Parallelisierung von Reaktoren mit dem Ziel der Erhöhung der Effizienz der Testverfahren, Reduktion des zeitlichen und finanziellen Aufwandes für die Testung, die Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und Wissensgenerierung beschrieben. Wie jedes experimentelle Vorgehen bedarf auch die Hochdurchsatz-Experimentation einer sehr sorgfältigen Planung der Versuche im Sinne eines Design of Experiment (DoE). Im Hochdurchsatz-Workflow werden anschließend die Phasen Primär- und Sekundärscreening solange durchlaufen, bis ein entsprechendes Entwicklungsziel erreicht worden ist. Parallelisiert werden können praktisch alle konventionellen Reaktortypen. Oberster Grundsatz bei der Planung und Entwicklung von Multireaktorsystemen ist ein völlig gleichartiges Verhalten aller Reaktoren des Parallelsystems, damit eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse gegeben ist. Im Stadium der Realisierung eines Parallelisierungskonzeptes muss daher das Reaktorsystem immer gegen konventionelle Anlagen validiert werden. Vorgestellt werden Beispiele für Parallelreaktorkonzepte aus den Bereichen der mikrostrukturierten Hochdurchsatzreaktoren, der parallelen Strömungsrohrreaktoren, der parallelen Satzreaktoren und der photochemischen Parallelreaktoren.

Klaus Stöwe

30. Reaktoren für spezielle technisch-chemische Prozesse: Elektrochemische Reaktoren

Elektrochemische Reaktoren sind Reaktionsapparate, in denen eine Wandlung zwischen chemischer und elektrischer Energie stattfindet. Sie werden häufig und in vielfältiger Gestalt in der Chemischen Industrie, zur Metallgewinnung und in der Energietechnik eingesetzt. Im vorliegenden Beitrag werden die für elektrochemische Reaktoren spezifischen Aspekte vorgestellt und die Konsequenzen für Auslegung und Betrieb diskutiert. Der aktuelle Stand der Entwicklungen wird anhand der technisch bedeutsamen Beispiele Chlor-Alkali-Elektrolyse, PEM-Brennstoffzelle und Redox-Flow-Batterie verdeutlicht.

Gregor D. Wehinger, Ulrich Kunz, Thomas Turek

20. Reaktoren für Fluid-Feststoff-Reaktionen: Schleifenreaktor (Chemical Looping Reactor)

Die Aufteilung von chemischen Reaktionen in mehrere Schritte, die getrennt voneinander optimiert werden können, ergeben ein interessantes Potenzial zur Optimierung des Gesamtprozesses. Vor allem bei Oxidationsreaktionen kann die Nutzung eines festen Oxidationsmittels an Stelle von Sauerstoff dieses Optimierungspotenzial bieten, da neben der Steigerung der Effizienz der Reaktion die Möglichkeit zur gezielten Abtrennung von Komponenten des Reaktionsgemisches im Verlaufe des Prozesses besteht. Damit können energie-intensive vor- oder nachgeschaltete Trennoperationen im Prozess vermieden werden. Eine wichtige Voraussetzung für die Auswahl eines geeigneten festen Oxidationsmittels ist seine Regenerierbarkeit durch eine Oxidation mit Luftsauerstoff. Neben der Energiegewinnung bietet dieses Chemical Looping genannte Konzept auch die Chance, chemische Reaktionen von unerwünschten Nebenreaktionen zu trennen. Besonders bei selektiven Oxidationsreaktionen kann damit die Totaloxidation der Einsatzstoffe oder Produkte erheblich unterdrückt werden. Der mögliche Gewinn in der Selektivität der Reaktion rechtfertigt den Aufwand, nach einem multifunktionalen Sauerstoffträger mit hoher Speicherkapazität und guter katalytischer Aktivität und Selektivität zu suchen.

Reinhard Schomäcker

40. Spezielle labortechnische Reaktoren: 3D-gedruckte Reaktoren

Kaum eine Technologie hat sich innerhalb der letzten Jahre so öffentlichkeitswirksam verbreitet wie die additive Fertigung. 3D-Drucker sind mittlerweile sowohl im Heimbereich als auch in der industriellen Fertigung anzutreffen. Anhand von zahlreichen Beispielen wird die fortschreitende Entwicklung von 3D-Drucktechniken für chemische Laboratorien dargestellt. Ausgehend von grundlegender Methodenevaluation finden heutzutage komplexe und präparativ nutzbare 3D-gedruckte Reaktoren breite Anwendung sowohl in der Mikro- und Millifluidik als auch in Form kreativ genutzter Batchreaktoren.

Eike G. Hübner, Felix Lederle

29. Reaktoren für spezielle technisch-chemische Prozesse: Polymerisationsreaktoren

Polyreaktionen weisen eine Reihe von Besonderheiten auf, deren reaktionstechnische Implikationen in diesem Kapitel behandelt werden. Zunächst werden Berechnungsmethoden für Produktverteilungen vorgestellt, die für die Eigenschaften der entstehenden Polymere wesentlich sind. Anschließend wird qualitativ die Rheologie von Reaktionsmischungen diskutiert, die bei Polyreaktionen oft durch einen erheblichen Anstieg der Viskosität mit dem Umsatz gekennzeichnet ist. Danach werden Kriterien für die Reaktorauswahl, nichtideales Strömungsverhalten sowie Selektivitätseffekte und Wärmeabfuhr bei Polymerisationsreaktoren behandelt. Abschließend werden wichtige Polymerisationsverfahren und die dort eingesetzten Reaktortypen kurz vorgestellt.

Michael Bartke

19. Reaktoren für Fluid-Feststoff-Reaktionen: Wirbelschichtreaktoren

Das Kapitel über die WirbelschichtreaktorenWirbelschichtreaktoren beschreibt die Phänomene, die bei der FluidisierungFluidisierung von FeststoffpartikelnFeststoffpartikeln in aufsteigenden Gasströmen auftreten, und wie diese Phänomene von der Gasgeschwindigkeit, den Betriebsbedingungen und den Partikeleigenschaften abhängen. Vor- und Nachteile von Wirbelschichtreaktoren und wichtige Anwendungen von zirkulierenden und blasenbildenden Wirbelschichten werden dargestellt. Weitere Themen sind die Hochskalierung und die Modellbildung bei Wirbelschichtreaktoren und einige typische Korrelationen zur mathematischen Beschreibung der auftretenden Phänomene. Abschließend werden noch die Besonderheiten beim Einsatz von Wärmetauscherrohren in blasenbildenden Wirbelschichtenblasenbildenden Wirbelschichten für exo- und endotherme Reaktionen diskutiert.

Tilman J. Schildhauer, Frank Schillinger

14. Grundlagen der nachhaltigen Verfahrensentwicklung

Die Entwicklung nachhaltiger Verfahren ist stets eine sehr komplexe Aufgabe, bei der eine Vielzahl unterschiedlicher Aspekte berücksichtigt werden müssen. Das ideale Verfahren ist sowohl ressourcenschonend, abfallarm, effektiv, gesellschaftlich akzeptiert als auch in Übereinstimmung mit gesetzlichen Regelungen und – insbesondere – wirtschaftlich. Um diesem Ziel möglichst nahe zu kommen, muss die Entwicklungsarbeit einem bestimmten Schema folgen. Im folgenden Kapitel werden daher die grundlegenden Etappen der Verfahrensentwicklung an einem Beispiel, dem MagnetoRec-Prozess, nachvollzogen. Dabei handelt es sich um ein neues Recyclingverfahren, das in den vergangenen Jahren entwickelt wurde, um Seltene Erden aus Permanentmagneten zurückzugewinnen. Damit dieses Verfahren unter den schwierigen Bedingungen des Seltenerdmarktes bestehen kann, wurde im MagnetoRec-Prozess eine neue unkonventionelle Methode eingeführt: Die Feststoffchlorierung. Hinter diesem Begriff verbirgt sich eine trockene Aufschlussmethode, die ohne Mineralsäuren auskommt und keine sauren Abwässer erzeugt. Im Vergleich zum Stand der Technik kommen Verfahren, die auf diese neue Methode zurückgreifen, mit weniger Chemikalien aus, generieren geringere Kosten und erzeugen weniger Abfall. Die Kehrseite unkonventioneller Methoden besteht jedoch im bedeutend höheren finanziellen und technischen Risiko, die eine Umsetzung in die industrielle Produktion erschweren. Durch das Wissen um das „Paradoxon der Verfahrensentwicklung“ und das konsequente Gegensteuern lässt sich am MagnetoRec-Prozess anschaulich zeigen, wie unnötige Arbeiten auf dem Weg zu einem nachhaltigeren Verfahren vermieden und Risiken effektiv verringert werden können.

Tom Lorenz, Martin Bertau

Kapitel 5. Mesopotamische Hochkulturen. Die Emergenz des Monetären als Wertstandard und der Formzusammenhang von Keilschrift, Zahlbegriffen und Maßsystemen

In diesem historischen Kapitel geht es um die Entwicklung von Geldformen und um die Effekte einer sukzessiven Monetarisierung von Gesellschaftsstrukturen. Die mesopotamischen Hochkulturen zählen nicht nur zu den ersten Hochkulturen überhaupt, dort findet sich auch erstmalig eine Geldform, die über die „primitiven“ Gelder, die sich bei Wildbeutern finden lassen, hinausgeht. Es wird ein Formzusammenhang aufgezeigt, der um die Emergenz des Monetären als Wertstandard im Zusammenhang mit abstraktionsanalogen Entwicklungen im Bereich von Keilschrift, Zahlbegriffen und Maßsystemen zentriert ist.

Hanno Pahl

Kapitel 2. Facetten der Dekarbonisierung

Im zweiten Kapitel werden die konzeptionellen Grundlagen des Dekarbonisierungsansatzes mittels dreier Leitfragen erörtert. Mit der einleitenden Frage, warum sich Gesellschaft und Wirtschaft intensiv mit der Reduzierung klimaschädlicher Treibhausgase beschäftigen, werden die wesentlichen Treiber bzw. Katalysatoren der Dekarbonisierung vorgestellt. Anschließend wird die Frage erörtert, wo sich geeignete Ansatzpunkte oder Hebel in Politik, Gesellschaft, Wirtschaft und Technik für erfolgreiche Initiativen zur Treibhausgasminimierung identifizieren lassen. Das Kapitel endet mit der Formulierung eines Zielbilds, welches die Frage zu beantworten sucht, wohin voraussichtlich die Dekarbonisierungsreise gehen wird.

Oliver D. Doleski, Thomas Kaiser, Michael Metzger, Stefan Niessen, Sebastian Thiem

Kapitel 5. Empirischer Teil: Ergebnisse

In manchen Hinsichten sind sich The Voice Kids und der Kiddy Contest ähnlich, hier überschneiden sich die Ergebnisse, in anderen Hinsichten gibt es deutliche Unterschiede zwischen den beiden Showformaten. Eine getrennte Ergebnisdarstellung wird dieser Konstellation aus Ähnlichkeiten und Unterschieden besser gerecht, wobei Verweise auf die jeweils andere Show dennoch vorkommen können und vor allem bei der Beschreibung des Kiddy Contest, die an zweiter Stelle erfolgt, öfter eingesetzt werden, da hier auf die bereits präsentierten Erkenntnisse zu The Voice Kids Bezug genommen werden kann. Zum Beleg werden auch konkrete Beispiele aus dem codierten Untersuchungsmaterial angeführt und genauer beschrieben.

Astrid Ebner-Zarl

Kapitel 4. Produktionsprozessplanung

Die ProduktionsprozessplanungProzessplanung beschäftigt sich mit der Frage, wie die Anforderungen eines Produktes an seine Erstellung produktionsprozesstechnisch umgesetzt werden können. Bei der Planung des Produktionsprozesses ist die Abfolge der notwendigen Teilverrichtungen zeitlich und räumlich aufeinander abzustimmen. Daher beschäftigt sich Kap. 4 zunächst mit der Festlegung der Ziele, nach denen die Gestaltung erfolgen soll. Diese Ziele lassen sich auf vier Merkmale herunterbrechen, die sich zum Teil gegensätzlich verhalten, sodass vorab eine strategische Ausrichtung erfolgen sollte. Dabei ist die Analyse der Produktionsaufgabe der erste Schritt und definiert die Anforderungen an die Produkterstellung. Auf dieser Basis werden dann die Prozesse in der Fertigung und Montage geplant. Eine abschließende Bewertung reflektiert die Zielerreichung und den Nutzen der betrachteten Zielgrößen.

Peter Burggräf, Günther Schuh, Matthias Dannapfel, Sascha Fuchs, Andreas Roderburg, Ralf Schlosser, Stefan Tönissen

Kapitel 6. Die EUREX

In diesem Kapitel werden die Grundzüge des Handels an der EUREX dargestellt.Ferner werden einige grundlegende Regeln der Abwicklung von Derivatgeschäften an der EUREX beschrieben. Ziel des Kapitels ist dabei nicht eine erschöpfende Darstellung aller Handels- und Abwicklungsregeln der EUREX.

Susanne Kruse

Chapter 2. Deformation and Strength of Heat-Resistant Materials Under Static and Cyclic Loading

When discussing the issues of material deformation, macrodeformations (i.e., deformations averaged over the length and section of the sample or part) and microdeformations (varying from grain to grain) are usually distinguished. To assess the strength and plasticity of a material, the most widely used characteristics are determined by uniaxial tensile loading of cylindrical and sometimes flat section samples.

Leonid Borisovich Getsov

Chapter 4. Influence of Technological Factors and Long-term Operation on the Microstructure and Properties of Heat-resistant Materials

In the manufacture of heat-resistant alloys, special melting methods are widely applied: in vacuum, in a protective atmosphere using electroslag and vacuum arc remelting, using various deoxidizers, small additives, including rare earth elements. For parts made by precision casting, the method of filling and crystallization is essential. Melting and casting methods affect the properties of the metal both before and after hot working (forging, rolling, heat treatment). It has been found that the methods of melting and casting affect the content of gases, various oxides in the form of films, non-metallic inclusions, harmful impurities (As, Pb, Bi), usually chemically undetectable in the metal, as well as the size of inclusions, their distribution within the grain and porosity. Vacuum remelting affects the anisotropy of the properties, the amount and nature of the distribution of non-metallic inclusions, hardenability, transition temperature of brittleness, and especially the liquation inhomogeneity of the metal.

Prof. Dr. Leonid Borisovich Getsov

Kapitel 5. Analyse von Umweltwirkungen

Als Folgen des Verkehrs auf die menschliche Umwelt werden diejenigen Beeinträchtigungen bezeichnet, die von der Anlage und dem Betrieb des Verkehrssystems auf den Menschen ausgehen. Diese Beeinträchtigungen ergeben sich im Wesentlichen durch die Gefährdung von Leben und Gesundheit durch Verkehrsunfälle (Verkehrssicherheit), die Beeinträchtigung und Belastung durch Lärm und Schadstoffimmissionen sowie die Folgen durch den Ablauf und Betrieb des Verkehrs. Anhand von Indikatoren können die Wirkungen des Verkehrs in den drei Bereichen mithilfe geeigneter Methoden quantitativ beschrieben werden. Die Gefährdung von Leben und Gesundheit durch Unfälle stellt eine der augenfälligsten Folgen des Verkehrs auf den Menschen dar. Die Beschreibung der Verkehrssicherheit über Anzahl und Schwere von Unfällen erfolgt durch Unfallkosten, die die volkswirtschaftlichen Verluste durch die (polizeilich erfassten) Straßenverkehrsunfälle zusammenfassen. Die Monetarisierung von Personenschäden von Verkehrsunfällen gilt als eines der umstrittensten Kapitel der ökonomischen Bewertung der Verkehrsfolgen. Verkehrslärm stellt unerwünschten, unangenehmen oder schädlichen Schall dar, der auf das Verkehrsgeschehen zurückzuführen ist. Als subjektiv wahrgenommenes Phänomen ist eine Beurteilung von Verkehrslärm nur auf der Basis des mit ihm verbundenen Schalls und dessen Schwankungen über einen definierten Zeitraum möglich. Die in Deutschland zur Anwendung kommenden Verfahren zur Beurteilung des Verkehrslärms werden erläutert und verschiedene Grenzwerte für Verkehrslärm dargestellt. Bewertungsverfahren mit Aussagen über die gesamtgesellschaftliche Vorteilhaftigkeit geplanter Infrastrukturausbauten müssen Auswirkungen der Ausbauvorhaben auf den Verkehrslärm und dessen Folgewirkungen enthalten. Die dafür notwendige Methodik wird in ihren Grundzügen mit Bezug zum innerörtlichen Verkehrslärm erläutert. Ausführungen über einige (nicht auf Kfz selbst bezogene) Maßnahmen zur Reduzierung des Verkehrslärms zeigen in Wirkungsbandbreiten das mögliche Ausmaß zur Verbesserung verkehrsbedingter Lärmimmissionen auf. Trotz signifikanter Reduzierung einiger Luftschadstoffemissionen im Straßenverkehr stellt der Kfz-Verkehr neben Kraftwerken, Industrie und Hausbrand einen der bedeutendsten Verursacher der anthropogenen Umweltbelastungen dar. Der Teil „Luftschadstoffe“ behandelt in diesem Zusammenhang die Wirkungen der Luftschadstoffe auf den Menschen, die geltenden Immissionsgrenzwerte für die unterschiedlichen Luftschadstoffe (bezogen auf alle Quellen), die Abgasgrenzwerte für Pkw und Lkw und weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen. Mit den dargestellten Verfahren zur Berechnung der Emissionen und Immissionen lassen sich quantifizierte Aussagen zur Luftverunreinigung gewinnen und in einer Weise evaluieren, wie sie in gängigen Bewertungsverfahren im Verkehrsbereich eingesetzt werden. Die Qualität und Leistungsfähigkeit eines Verkehrssystems wird vor allem durch den Zeitbedarf charakterisiert, den die Verkehrsteilnehmer zum Erreichen der Ziele ihrer täglichen Wege benötigen. Die im Rahmen von Wirkungsanalysen verwendeten Ansätze zur Ermittlung der Indikatoren Zeit- und Betriebskosten werden vorgestellt. Zu den Folgen von Ablauf und Betrieb des Verkehrs zählt ferner die Trennwirkung für nichtmotorisierte Verkehrsteilnehmer, vor allem Fußgänger, ohne deren Berücksichtigung eine Gesamtbewertung geplanter Verkehrsinfrastrukturvorhaben unvollständig bleibt.

Ulrich Brannolte, Raimo Harder, Christoph Walther, Tanja Schäfer, Alexander Dahl

Kapitel 7. Ökologische Folgen

Es werden Umweltwirkungen des Verkehrs auf Ökosystemkomponenten und deren Berücksichtigung im Rahmen von Prüfungsinstrumenten und Folgenbewältigung beschrieben. Das Kapitel betrachtet generell die Maßstabsebene der Stadtlandschaft und geht von einer engen Verflechtung zwischen dem Straßenverkehr in den Innenstädten und der Verkehrserschließung im Umland mit dort stattfindenden ökologischen Belastungen aus. Die ökologischen Wirkungen des motorisierten Straßenverkehrs und dessen Infrastruktur werden systematisch hinsichtlich Wasserbilanz, Nähr- und Schadstoffflüsse sowie deren Wirkungen auf Tierarten und Biotope thematisiert. Um die Folgenbewältigung im Planungsprozess zu illustrieren, werden Umweltverträglichkeitsprüfung sowie FFH-Prüfung erläutert und die Eingriffsregelung mittels landschaftspflegerischem Begleitplan und Ökokontoverfahren diskutiert. Der Ausblick kommentiert Aussagen des Bundesverkehrswegeplans 2030 hinsichtlich künftiger Belastungen der Ökosysteme und zitiert Lösungsansätze bei der Suche nach effektiven Minderungsmaßnahmen.

Hans-Georg Schwarz-von Raumer

Open Access

13. Edge Computing und Industrie 4.0

Anwendungsbereiche in der Schweizer Fertigungsindustrie

Durch die industrielle, digitale Transformation, insbesondere durch die Vernetzung von Fertigungsanlagen, wird zusehends eine sehr große Datenmenge in der Schweizer Fertigungsindustrie generiert. Viele Daten bleiben dabei lokal (oft) ungenutzt oder werden über weite Transportwege an zentrale Rechenzentren zur Analyse gesendet. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, wie Daten so genutzt werden können, dass lange Transportwege entfallen und zeitgleich, durch die Verarbeitung dieser Daten, Wissen generiert werden kann. Dieser Beitrag liefert erste Antworten auf der Basis von empirischen Erkenntnissen, welche durch Befragungen von Anbietern, Beratungsunternehmen und Fertigungsunternehmen im Bereich Edge Computing durchgeführt wurden. Dabei liefert die vorliegende Studie Erkenntnisse in den Bereichen technisches Verständnis, Geschäftsmodelle und Anwendungsszenarien sowie praktische Umsetzungen im Sinne von Pilotierungen und Rollouts als Proof of Concept.

Dominik Appius, Roger Andreas Probst, Kim Oliver Tokarski

Kapitel 5. Zukunft des Stadtverkehrs – Rahmenbedingungen, Trends, Szenarien

Für die kommenden Jahrzehnte gehen nahezu alle Verkehrsprognosen, die keine deutliche Kehrtwende in den Rahmenbedingungen zugrunde legen, von einem weiteren Wachstum der Gesamtverkehrsnachfrage im Personen- und Güterverkehr aus. Diese Entwicklung wird auch den Stadtverkehr prägen, der zusätzlich durch eine zunehmende Konzentration der insgesamt alternden Bevölkerung in prosperierenden Metropolregionen gekennzeichnet sein dürfte. Wichtige weitere äußere Einflüsse sind auch Digitalisierung und Automatisierung. Sie lassen eine weitere Ausweitung der Angebotsformen im Verkehr erwarten, die voraussichtlich ebenfalls zu Verkehrswachstum beitragen. Damit bleiben Platzbedarf, etwa für den ruhenden Verkehr, Energieversorgung und Emissionen des Stadtverkehrs drängende Herausforderungen. Mit zunehmender Multimodalität und einer Renaissance des Fahrrads gibt es aufseiten der Nachfrage zwar auch entlastende Entwicklungen. Dennoch dürfte vor dem Hintergrund des weiter wachsenden Verkehrs die langfristig größte Herausforderung für den Verkehrssektor die Einhaltung der Klimaziele sein. Verkehrspolitik und -planung werden sich in den nächsten Jahren verstärkt an diesen Zielen orientieren müssen und hierzu alternative Verkehrsträger fördern und möglicherweise darüber hinausgehende Maßnahmen, wie etwa differenzierte Bepreisung des Straßenverkehrs, ergreifen.

Dirk Vallée, Tobias Kuhnimhof, Gernot Liedtke

2. Der Ursprung des Geldes (Geld und Geldgebrauch)

Das Geld ist bisher nie ernsthaft Gegenstand umfassender historischer Betrachtung geworden. Es gibt bis heute keine Geldgeschichte in dem gleichen selbstverständlichen Sinn, wie es etwa Staats-, Rechts-, Sprach-, Literatur-, Kunst-, ja selbst Wirtschaftsgeschichte gibt. Diese Beobachtung der Numismatik (Münzkunde) wird von der Wirtschaftswissenschaft bestätigt; noch heute gilt die Bemerkung von William Stanley Jevons aus dem Jahre 1875, nach der die „Naturgeschichte des Geldes nahezu jungfräulicher Boden“ sei.

Christoph Braunschweig, Bernhard Pichler

3. Energieeffizienz – die große Schwester der erneuerbaren Energien

Als der Ingenieur Dr. Werner Kleinkauf 1971 bei einer Diskussion Kritik an der Nutzung der Kernenergie äußerte und auf das ungelöste Problem der radioaktiven Reststoffe verwies, bot ihm der damalige Vorstandsvorsitzende der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DFVLR) Prof. Dr. Hermann L. Jordan an, sich doch mit erneuerbaren Energien zu befassen. Damals hießen sie noch nichtnukleare, nichtfossile Energien. Kleinkauf, bis dahin Programmleiter für Satellitenenergietechnik, nahm das Angebot an und gründete 1972 in der DFVLR Stuttgart die erste außeruniversitäre Abteilung für Forschung und Entwicklung erneuerbarer Energien in Deutschland. Diese Abteilung war in den folgenden Jahrzehnten Ausgangspunkt für viele Aktivitäten auf diesem neuen Forschungsgebiet in der Bundesrepublik. Sie wurde darüber hinaus zur Keimzelle für neue Institute, die später die Forschung und Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland maßgeblich vorantreiben sollten. Kleinkauf, als kreativer Kopf bekannt, sah die neue Aufgabe als eine riesige Chance, wissenschaftliches Neuland zu betreten in einer Zeit, als das Umweltbewusstsein in Deutschland einen ersten Höhepunkt erreicht hatte. Als Reaktion auf Proteste gegen das Atomforschungsprogramm 1973 wurde im Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT) das Referat Nichtnukleare Energieforschung gegründet und beschlossen, erstmalig neben dem Atomforschungs- auch ein allgemeines Energieforschungsprogramm aufzulegen. Ein halbes Jahr später brach die erste Ölkrise über die zunehmend energiehungrige westliche Welt herein. Sie wirkte stark beschleunigend auf die Entwicklung des geplanten Energieforschungsprogramms des BMFT. Im gleichen Jahr gab das Ministerium eine Programmstudie zum Thema erneuerbare Energien in Auftrag, um die sich diejenigen DFVLR-Mitarbeiter bewarben, die später den Bereich „Energetik“ gründen sollten.

Gerd Stadermann

8. Freiburg – auf dem Weg zur Solarhauptstadt

Warum konnte sich nach Stuttgart, dem Mekka der erneuerbaren Energien in den 1970er-Jahren, Freiburg als Solarhauptstadt in den 1980er-Jahren etablieren? Wie wurde das dortige Fraunhofer ISE zu dem am schnellsten wachsenden Solarenergieforschungsinstitut in Deutschland? Woher kam die wissenschaftliche Brillanz dieses Instituts?

Gerd Stadermann

2. Spannungen und Dehnungen

Philipp Steibler

Chapter 5. Städtische Atmosphäre und Stadtklima

Städte haben ein eigenartiges Mikroklima und führen durch die zunehmende Besiedlung, anthropogene Wärmeproduktion und Technisierung der Lebensräume zur Erwärmung der Erdatmosphäre. Die natürlichen Energie- und Stoffströme werden in Städten von anthropogen erzeugten Strömen überlagert. Daher stehen Städte vor großen Herausforderungen, um nachhaltig eine bessere Lebensqualität, Ressourceneffizienz und den Schutz der Umwelt zu gewährleisten. Obwohl die anthropogene Energiezufuhr in Städten im Vergleich zu der natürlichen Zustrahlung relativ gering ist, wirken sich die städtischen Emissionen schwerwiegend auf das Klima aus. Aufgrund der durch die Bebauung verursachten Komplexität der städtischen Struktur erleidet auch die bodennahe Atmosphäre Veränderungen. Obwohl die Stadt in ihrer Gesamtheit eine geschlossene Struktur darstellt, ist sie in eine Vielzahl von kleineren räumlichen Strukturen unterteilt. Gekennzeichnet sind sie durch ständigen stetigen und auch abrupten Wechsel in ihrer Oberflächenrauigkeit. Städtische Versiegelungsflächen beeinträchtigen das Stadtklima erheblich. Durch geeignete Anordnung und Gestaltung dieser Flächen und Anordnung von Grün- und Wasserflächen sowie Luftbahnen kann der Aufheizung der Städte entgegengewirkt werden.

Schew-Ram Mehra

Chapter 7. Städtische Emissionen

Die zunehmende Technisierung hat insbesondere in den industriegeprägten Gesellschaften zu einem hohen Lebensstandard geführt. Dadurch sind gleichzeitig sowohl die Menschen als auch die Umwelt erheblichen Emissionen und Immissionen ausgesetzt. Die Belastung der Luft durch unterschiedliche Fremdstoffe und Erhöhung der Konzentrationen der Luftbestandteile, steigende Lärmbelastung, zunehmende künstliche Beleuchtung urbaner Räume sowie rasant wachsende elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder sind die wesentlichen städtischen Emissionen, die das Umfeld des Menschen, der Tiere und Pflanzen beeinträchtigen. Die zunehmenden anthropogenen Emissionen verändern die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre. Zusätzlich beeinträchtigen die abgegebenen Luftbeimengungen die klimatischen Prozesse sowie die Luftqualität und damit die Lebensbedingungen der Lebewesen.

Schew-Ram Mehra

Kapitel 3. Das stationäre Magnetfeld

Kap. 3 hat zeitlich konstante Magnetfelder zum Gegenstand. Eine Kenngröße dieses Feldes ist die magnetische Flussdichte . Im ersten Schritt wird der Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte und der Kraft, die auf einen von Strom durchflossen Leiter ausgeübt wird, hergeleitet. Im Weiteren wird gezeigt, dass in einer Leiterschleife, die sich in einem Magnetfeld bewegt, ohne dass sich der verkettete magnetische Fluss sich zeitlich ändert, eine Spannung entsteht. Die Differentialform Ampère´schen Gesetzes wird eingeführt und in diesem Zuge der Vektoroperator Rotation. Die Berechnungsformeln für kartesische, zylindrische und sphärische Koordinatensysteme werden hergeleitet. Das magnetische Vektorpotential wird eingeführt und abschließend das Gesetz von Biot-Savart.

Jürgen Donnevert

Kapitel 10. Rohstoffe

1972, vor knapp 50 Jahren, erschien ein Buch, das wie kein anderes die weltweite Diskussion um ökologische Fragestellungen geprägt, ja diese Diskussion in gewisser Weise überhaupt erst angestoßen hat: „Die Grenzen des Wachstums“ (engl. „The Limits to Growth“, Bericht an den Club of Rome) von Dennis Meadows und seinen Mitarbeitern.

Dr. Thomas Unnerstall

Kapitel 14. Plastikmüll in den Meeren

Wer im Sommer 2019 in eine Buchhandlung ging und dort die (ziemlich kleine) Ecke mit Büchern zu ökologischen Fragestellungen aufsuchte, der fand in erster Linie – nicht etwa Bücher über Energiewende und Klimaschutz, sondern – Bücher zum Thema Plastik. „Plastikfrei für Einsteiger“, „Plastik sparen“, „Weniger Plastik ins Meer“, „Für eine Umwelt ohne Plastik“, so oder ähnlich lauteten die Titel. Gleichzeitig gab es zahlreiche Diskussionen und Berichte zum Für und Wider von Plastiktüten, über das EU-Verbot von Plastikstrohhalmen oder auch über Deutschlands Exporte von Plastikabfällen in ferne Länder.

Thomas Unnerstall

Kapitel 3. „Die westliche Wirtschafts- und Lebensweise ist ökologisch nicht nachhaltig“ – stimmt nicht

„Unsere westliche Wirtschafts- und Lebensweise geht auf Kosten der nachfolgenden Generationen. Sie ist verbunden mit zu hohem Ressourcenverbrauch, mit Umweltzerstörung und mit Klimawandel. Wir müssen daher unser Wirtschaftssystem und unser Konsumverhalten grundsätzlich ändern.“ Ich bin mir sicher, dass Ihnen diese Aussagen so oder ähnlich schon häufiger begegnet sind: in Büchern, Zeitungen, im Fernsehen oder in den sozialen Medien. Auf eine kurze Formel gebracht, lautet das Urteil: „Die westliche Wirtschafts- und Lebensweise ist ökologisch nicht nachhaltig“ – und dieses Paradigma spielt seit einigen Jahren eine zunehmende Rolle in gesellschaftlichen und politischen Diskussionen.

Dr. Thomas Unnerstall

Kapitel 20. Transporterscheinungen

Das Phänomen der Diffusion kann eine wichtige Rolle für die Kinetik chemischer Reaktionen in Lösungen spielen. Wir nehmen dies zum Anlass, uns nochmals etwas ausführlicher mit dem Prozess der Stoffausbreitung zu befassen. Die Wanderungsgeschwindigkeit wird durch ein Gefälle des chemischen Potenzials und damit in homogener Umgebung letztendlich durch ein Konzentrationsgefälle bestimmt.

Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 22. Elektrodenreaktionen und Galvanispannungen

Einführend werden die Begriffe Galvanipotenzial (für das innere elektrische Potenzial einer Phase), elektrochemisches Potenzial und Elektronenpotenzial vorgestellt, die dazu dienen, Prozesse zu charakterisieren, an denen Ladungsträger beteiligt sind. Mittels der elektrochemischen Potenziale kann die Galvanispannung zwischen zwei Phasen im Gleichgewicht bestimmt werden, zunächst am besonders einfachen Fall zweier sich berührender Metalle. Die Ausbildung einer elektrischen Doppelschicht an der Grenzfläche beider Metalle wird ebenso wie die zugehörige Galvanispannung, die sogenannte Kontaktspannung, diskutiert.

Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 3. Entropie und Temperatur

In der phänomenologischen Beschreibung (vergleichbar einer Art von “Steckbrief”) erscheint die Entropie S als ein gewichtsloses, strömungsfähiges “Etwas”, das in jedem Ding unserer Umwelt in größerer oder kleinerer Menge enthalten ist. Man kann es in einem Materiebereich verteilen, anhäufen, einschließen oder umgekehrt daraus herauspumpen, ausquetschen, an einen anderen Gegenstand abschieben usw. Bedeutsam ist, dass die Entropie bei allen Wärmeeffekten eine Rolle spielt und als deren eigentliche Ursache betrachtet werden kann.

Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 1. Einführung und erste Grundbegriffe

Als Einstieg wird zunächst kurz das Gebiet der Stoffdynamik vorgestellt. Dieses Gebiet beschäftigt sich im weitesten Sinne mit stofflichen Umbildungen und den ihnen zugrunde liegenden physikochemischen Prinzipien. Folglich müssen zunächst einige wichtige Grundbegriffe besprochen werden, die zur Beschreibung solcher Umbildungsprozesse erforderlich sind wie Stoff, Gehaltsformel und Stoffmenge, aber auch Gemisch, Gemenge und die zugehörigen Zusammensetzungsmaße.

Georg Job, Regina Rüffler

Mobilität 2.0: elektrisch, sauber und intelligent

Der Klimawandel ist in vollem Gange. Um eine weitere globale Erwärmung zumindest zu verzögern, muss der CO2-Ausstoß in die Atmosphäre rigoros gedrückt und irgendwann ganz gestoppt werden. Ein wichtiger Baustein dafür ist eine nachhaltige Mobilität. Die funktioniert aber nur mit einer Verkehrswende, die sich nicht allein auf eine „Antriebswende“ beschränkt, bei der lediglich der Antriebsstrang im Fahrzeug ausgetauscht wird. Entscheidend ist, dass bei der Mobilität der Energieverbrauch minimiert und der verbleibende Bedarf mit klimaneutraler Energie gedeckt wird. Bei diesem Zusammenspiel von Verkehrs- und Energiewende sind alle gefordert: Politik, Wirtschaft, Industrie und jeder einzelne Bürger. Wir alle müssen uns die Frage stellen, welche Mobilität wir wirklich brauchen und wie sich Mobilitätsbedarfe verändern oder ganz vermeiden lassen. Bei diesem Umbruch spielt gerade in den Städten die Elektromobilität eine Schlüsselrolle. Und eines steht jetzt schon fest: Das eigene Auto ist ein Auslaufmodell. In Zukunft wird das Nutzen von Fahrzeugen an erster Stelle stehen, nicht deren Besitz.

Lara Biekowski, David J. Engel

Von der Emission zur Immission

Die Belastung der Luft durch Schadstoffe (Immission), wie Stickstoffdioxid, Partikel und bodennahes Ozon hängt ganz wesentlich von den Schadstoffemissionen ab. Diese werden unter anderem von den Verbrennungsmotoren der Fahrzeuge, aber auch von anderen Verbrennungsprozessen (NOx) und dem Fahrzeug selbst (Partikel) erzeugt. Nach komplexen Verteilungs- und Reaktionsprozessen entstehen die gesundheitlich belastenden Konzentrationen der Schadstoffe in der Luft. Ozon bildet sich aus Vorläufersubstanzen, wie NOx und flüchtigen organischen Verbindungen wie z. B. Kohlenwasserstoffe; es wird nicht direkt als Emission freigesetzt. Der Beitrag beschäftigt sich mit den wichtigsten Schadstoffemissionen und der daraus entstehenden Luftbelastung sowie deren bisherigen Entwicklung, gespiegelt an den gesetzlich vorgegebenen Grenzwerten. Die Emission der klimarelevanten Gase, besonders des CO2, steht im Zentrum der zukünftigen Mobilitätslösungen und ist die größte Herausforderung, nachdem die Schadstoffemissionen in absehbarer Zeit auf ein unkritisches Niveau reduziert werden können.

Helmut Tschöke

Primärenergiebedarf und Nachhaltigkeitspotenzial des Verkehrs bei der Erfüllung der Klimaschutzziele 2030/50

Der Beitrag vergleicht drei verschiedene Ansätze von Antriebsportfolios für die Meilensteine 2030 und 2050 des politischen Klimaschutzplans. Zur Erfüllung der Ziele in 2030 müssen die Treibhausgasemissionen des Verkehrs in Deutschland von heute über 160 Mio. t auf dann 98 Mio. t reduziert werden, zum zweiten Meilenstein 2050 darf der gesamte Verkehr keine Treibhausgase mehr emittieren. Die Erfüllung dieser Vorgaben wird anhand verschiedener Antriebsmix-Konfigurationen durchgerechnet. Es zeigt sich, dass die Menge der Elektrofahrzeuge für die Zielerfüllung 2030 wesentlich größer sein muss, als von der Regierung erwartetet wird. Für den Meilenstein 2050 wird der Primärenergiebedarf für ein Szenario mit batterieelektrischen Fahrzeugen, für ein weiteres mit anteiligen Brennstoffzellen-Fahrzeugen und im dritten Fall mit zusätzlichem, nachhaltigem Gasantrieb abgeschätzt. Als Eingangsgrößen für die Berechnungen werden reale Straßenverbräuche den sonst üblichen Laborverbräuchen vorgezogen, um realistischere Ergebnisse zu erzielen. Die größte Schwierigkeit zur Erlangung der Treibhausgasneutralität besteht im Ersatz des fossilen Flug-Kerosins. Für die Erzeugung von synthetischem Kerosin wird die größte Menge an nachhaltig produziertem Strom benötigt. Dabei fällt aber auch ein großer Teil als synthetischer Dieselkraftstoff an, der zusammen mit biogenem Ersatzkraftstoff in erster Näherung den Kraftstoffbedarf des Schwerlastverkehrs decken kann. Für ein kundenfreundliches Szenario wird im Pkw-Sektor erneuerbarer Strom zur Herstellung von synthetischem Methangas eingesetzt. Alle drei Szenarien verstehen sich als Diskussionsbeitrag auf der Suche nach dem Antriebsmix der Zukunft.

Volkher Weißermel

Das deutsche Automobil – gestern, heute und morgen

Der Erfolg der deutschen Automobilindustrie nach dem 2. Weltkrieg war gekennzeichnet durch das Eröffnen neuer Fahrzeugkategorien, die in ihrer Ausprägung einzigartig und spezifisch sind. In diesen Kategorien entstand ein spezifischer Wettbewerb vor allem unter den später Premiumhersteller bezeichneten Firmen. Anhand der näheren Beleuchtung dieser Produktklassen mit dem Blick zurück, über die Gegenwart und voraus in die Zukunft sollten mögliche Aspekte zukünftiger Ausprägung ermittelt werden und vor allem auch ihre Zukunftsfähigkeit im Lichte der anstehenden massiven Umbrüche durch den Technologiewandel.

Ulrich W. Schiefer

Chapter 12. Der Gebäudebestand als Rohstofflager: Der Beitrag der Digitalisierung für ein zukünftiges regionales Stoffstrommanagement im Baubereich

Der Gebäudebestand enthält das größte Lager von Rohstoffen und Materialien der Gesellschaft. Die Nachfrage des Baubereichs nach Rohstoffen und Materialien ist unverändert hoch, genauso wie der Anfall von Bau- und Abbruchabfällen. Um den Zielen der Ressourcenstrategie, des Klimaschutzes und der Kreislaufwirtschaft Rechnung zu tragen, sind weitergehende Ansätze zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs nötig. Hier setzt die Idee eines regionalen Stoffstrommanagements an, in dem die aus dem Rückbau von Gebäuden resultierenden Stoffströme möglichst weitgehend und im unmittelbaren Umfeld genutzt werden. Dazu ist es wesentlich, die Akteure im Lebenszyklus von Gebäuden – Planung, Nutzung, Entsorgung – deutlich besser als heute informatorisch zu vernetzen. Als Grundidee für ein digital gestütztes regionales Stoffstrommanagement beschreibt der vorliegende Beitrag das Modell eines digitalen Gebäudematerialkatasters mit unterschiedlichen Ausbaustufen. Vorgestellt wird eine exemplarische Umsetzung in Form eines „regionalen Rohstoffkatasters“ für ein Planungsgebiet in der Rhein-Main-Region. Als Anwendungsperspektiven eines solchen regionalen Materialkatasters wird die Wiederverwendung von Bauteilen aus dem Gebäuderückbau diskutiert. In laufenden Forschungsarbeiten wird die Entwicklung des digitalen Gebäudematerialkatasters im Hinblick auf die Verbesserung der Kreislaufwirtschaft im Baubereich, aber auch für die Abschätzungen der ökologischen Wirkungen von Umbau- und Neubaumaßnahmen von Gebäuden und Quartieren weiterverfolgt.

Liselotte Schebek, Hans-Joachim Linke

Kapitel 3. Grundgedanke der Systembetrachtung

Der Grundgedanke der tribologischen Systembetrachtung besteht aus einem umfassenden Analyseansatz aller Eingangs- und Ausgangsgrößen und deren Wechselwirkungen im System. „Für die Schaffung der begrifflichen Voraussetzungen und für die Anwendung der Systemanalyse in der Tribologie sind vorrangig die Arbeiten von Salomon, Czichos und Fleischer zu nennen.“ [27] Zu Beginn muss die Funktion und der Nutzen des tribologischen Systems (Kurzform: Tribosystem) ermittelt oder festgelegt werden.

Frank Bauer

Kapitel 4. Tribologische Prozesse und Wechselwirkungen

Die Eingangsgrößen (Beanspruchungskollektiv und Störgrößen) wirken auf die Struktur des Tribosystems mit den Elementen Grundkörper, Gegenkörper, Umgebungsmedium und dem eventuell vorhandenen Zwischenstoff. Daraus ergeben sich in der Tribokontaktzone tribologische Prozesse und Wechselwirkungen und daraus resultierend Verlustgrößen. Um das Tribosystem beschreiben zu können, müssen diese Wechselwirkungen und die Verlustgrößen analysiert und beschrieben werden. Im Folgenden wird der Kontakt, die Schmierung, die Reibung und der Verschleiß betrachtet.

Frank Bauer

Kapitel 4. Tribologisches System Radial-Wellendichtung

Im Bild 4.1 ist ein Ausschnitt eines technischen Systems mit den Tribosystemen Wälzlager, O-Ringdichtung (statische Dichtung) und einer Radial-Wellendichtung (Dichtelement G aus Kap. 3.4) mit zusätzlicher Schutzlippe (also mit zwei dynamischen Dichtungen) dargestellt.

Frank Bauer

Kapitel 2. Grundbegriffe

Die elektrischen Größen Ladung, Strom, Spannung und Widerstand spielen in unserem Alltag keine große Rolle. Da wir keine geeigneten Sinne dafür besitzen, fehlt uns die praktische Erfahrung weitgehend. Die genannten Grössen werden daher hier definiert und anhand einfacher Beispiele erläutert.

Markus Hufschmid

Kapitel 13. Roboter und Robotersteuerungen

Heutige autonome Fertigungs- und Montagezellen sowie flexible Fertigungssysteme bestehen vielfach aus numerisch gesteuerten Handhabungssystemen und Industrierobotern. Typische Aufgabenbereiche sind u. a. die Maschinenbeschickung und der Werkstücktransport. Des Weiteren werden sie oft für Montage-, Schweiß- und Schneidaufgaben eingesetzt. Nach einer allgemeinen Funktionsbeschreibung von Robotern und Robotersteuerungen werden unterschiedliche Typen von Roboterkinematiken und Einlegegeräten unterschiedlicher Anzahl von Freiheitsgraden vorgestellt. Die Grundlage bei der Bedienung und Programmierung dieser Systeme bildet die mathematische Beschreibung von Koordinatensystemen, Koordinatentransformationen und Algorithmen zur Bahnerzeugung, die im Folgenden näher erläutert werden. Anschließend werden die Verfahren zur Bedienung und Programmierung von Robotersystemen vorgestellt. Das Kapitel schließt mit einer umfangreichen Beschreibung heutiger Greifprinzipien und Greifsystemen ab.

Christian Brecher, Manfred Weck

3. Sicherheitstechnische Kennzahlen

Voraussetzung für sichere Produktionsverhältnisse ist die Kenntnis über das Verhalten von allen Stoffen und Stoffgemischen unter betrieblichen Bedingungen sowie möglichen Abweichungen bei Störfällen. Deshalb müssen alle Eigenschaften der Ersatz-, Hilfs- und Rohstoffe, Zwischen-, Neben- und Endprodukte, Rückstände und Emissionen bekannt sein.

Ursula Stephan, Bernd Schulz-Forberg

10. Ausgewählte Anwendungen

In Produktionsanlagen mit kontinuierlicher Fertigung werden Stoffbahnen verschiedener Materialien wie Metalle, Kunststoffe, Textilien oder Papier erzeugt und in unterschiedlichen Sektionen bearbeitet. Der Aufgabe entsprechend durchlaufen die Stoffbahnen dabei verschiedene Bearbeitungsschritte mit elastischen oder plastischen Verformungen, Beschichtungen oder speziellen Behandlungen. Am Ende der Bearbeitung werden die Stoffbahnen meist in Wickeln gespeichert.

Dierk Schröder, Joachim Böcker

1974–1978

Die Postdoktorandenzeit des Autors spielte sich in den Stationen in Paris, Mainz und München ab, jeweils mit ganz ortsspezifischen Schattierungen, so wie sie – trotz des gleichen Faches durchaus unterschiedlich erlebbar waren.

Günter Lattermann

Bayreuth, 1978–2008

Nach insgesamt 24 Mainzer Jahren schloss sich für den Autor ein 30-jähriger Zeitraum in der Makromolekularen Chemie, Universität Bayreuth an. Bayreuth prägt jeden. Warum wird am Anfang dieses Kapitels beschrieben. Gerade auch in Bayreuth sammelte sich ein Fülle von farbenfrohen und saftigen Anekdoten und Geschichten an, von Einheimischen, dem universitätsansässigen Personenkreis, aber auch mit international berühmten Größen der makromolekulare Chemie wie beispielsweise dem Nobelpreisträger P. J. Flory oder dem ‚Papst der anionischen Polymerisation‘ M. Szwarc.

Günter Lattermann

Geschichte

Für viele, besonders auch Techniker und Naturwissenschaftler ist Geschichte das „Alte Gelump von gestern, dass keinen mehr interessiert“. Eigens für diesen Personenkreis einmal verständlich ausgesprochen: Geschichte kann man sich im einfachsten Fall als Diagramm vorstellen, in dem auf der Ordinate einer der vielen Faktoren und auf der Abszisse die Zeit aufgetragen ist.

Günter Lattermann

Mainz, 1971–1974

Eine vergleichbare dokumentarische Rolle wie in der Studentenzeit spielen auch die Begebenheiten während der Mainzer Doktorandenzeit des Autors bis hin zur Promotion. Hinzu kommt in diesem Kapitel noch eine Erweiterung der Farbskala durch internationale Anekdotenträger.

Günter Lattermann

Kapitel 7. FG-Aktoren

WillAktorbauform man leichte und kompakte Aktoren generieren, sollte man auf eine möglichst hohe Materialausnutzung im Aktorelement achten. Bauteilformen mit einer Zug- oder Druckbelastung bieten dabei den besten Materialausnutzungsgrad und sind damit am wirtschaftlichsten.

Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 6. Pseudoelastische FG-Komponenten

FG-Komponenten mit mechanischem Effekt zeichnen sich durch eine für Metalle enorm große reversible Verformbarkeit aus. Diese ist um den Faktor 20 größer als die elastische Verformung von Stahl. Zudem hat die Kennlinie der Verformung nur eine minimale Steigung.

Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 1. Digitalität und Kritik

Digitalität ist eine Zumutung. Damit ist kein Widerspruch zu den Vorteilen digitaler Technologie aufgemacht. Kein Gegensatz zur Erleichterung, Hilfe und ganz eigenen Produktivität durch Computer und deren Vernetzung, wovon Menschen in zunehmenden Bereichen des Lebens profitieren.

Jan Distelmeyer

Kapitel 6. Saugverhalten und Kavitation

Bei Verwendung des Begriffs „Kavitation“ ist zwischen der „Kavitationsströmung“ – d. h. dem Auftreten lokaler Gebiete mit Zweiphasenströmung – und „Kavitationserosion“ bzw. Kavitationsschäden zu unterscheiden. Behandelte Themen: Blasendynamik, Kavitation in Laufrad und Leitrad, erforderlicher NPSH-Wert, Kavitationskriterien für NPSHR-Werte, Modellgesetze für Kavitationsströmungen, Messung des erforderlichen NPSHR-Wertes, Einfluss der Fluideigenschaften, thermodynamische Einflüsse, nichtkondensierbare Gase, Nuclei, Kavitationsbedingte Schwingungen und Geräusche, Kavitationsschallmessungen zur Quantifizierung der hydrodynamischen Kavitationsintensität, Kavitationserosion, Kavitationswiderstand, Vorausberechnung von Kavitationsschäden aufgrund der Blasenfeldlänge, und des Flüssigkeitsschalls, Körperschallmessungen zur Kavitationsdiagnose, Farberosionsversuche zur Bestimmung des Implosionsortes, Erosionsschwellwert und Materialverhalten bei verschiedenen hydrodynamischen Kavitationsintensitäten, Wahl des Zulaufdruckes in der Anlage (NPSHA), Kavitationsschäden: Analyse und Abhilfe, Kavitationsformen und typische Arten von Kavitationsschäden in Laufrädern, Leiträdern und Spiralgehäusen.

Johann Friedrich Gülich

Kapitel 14. Werkstoffwahl für hohe Geschwindigkeiten

Themen: 1. Ermüdungsbrüche an Laufrädern oder Leiträdern: Zulässige Förderhöhe pro Stufe, Laufradbrüche – Analyse und Vorausberechnung. 2. Korrosion: Korrosionsmechanismen, Korrosion in Trinkwasser, Kühlwasser, Abwasser, Korrosion in Meerwasser und Lagerstättenwasser, Erosionskorrosion in vollentsalztem Wasser (Berechnung der Abtragsraten). 3. Materialwahl und zulässige Geschwindigkeiten: Definition häufig vorkommender Fördermedien, Metallische Pumpenwerkstoffe für Laufräder, Leiträder, Gehäuse, Spaltringwerkstoffe, Werkstoffe für mediumsberührte Wellen, Werkstoffe für Speisewasser- und Kondensatpumpen sowie REA-Pumpen, Verbundwerkstoffe. 4. Hydroabrasiver Verschleiß: Einflussparameter, Quantitative Verschleißabschätzung, Materialverhalten und Feststoffeinfluss, Erosionsformen als Spiegelbild der Strömung.

Johann Friedrich Gülich

Kapitel 4. Logistik-Operations: Erfolgspotenziale realisieren

In den Logistik-Operations geht es um die Planung und Durchführung der realen Materialflüsse. Dort werden die strategischen Vorgaben aus dem Logistik-Planning in die Praxis überführt und die Ziele der Logistik-Funktion realisiert. Für erfolgreiche Logistik-Operations sind die folgenden Kernaufgaben auszugestalten (vgl. Kapitel 2.2).

Elmar Bräkling, Jörg Lux, Klaus Oidtmann

Kapitel 20. Multisensorik in der Umsetzung: Von der Unternehmensstrategie zum holistischen Store-Konzept

Erfahrungsbericht eines Retail-Designers

Das Thema „Multisensorik“ übt eine fast magische Faszination auf Marketing- und Retail-Manager aus. Unzählige Studien überfluten uns mit immer neuen Erkenntnissen zu Wirkungsweise und Möglichkeiten des sensorischen Marketings. Doch ein auf alle Sinne abgestimmtes, harmonisches Gesamtkonzept begegnet uns in der Realität eher selten. Warum ist die Umsetzung so schwierig? Der große Schritt von der Theorie in die Praxis: Wie kommt die Unternehmensstrategie auf die Fläche? Oft ist der Weg schon (fast) das Ziel und bereits die Analysephase entscheidet über den Konzepterfolg, Doch welche Heuristiken helfen bei der Reduktion von Komplexität in der Planungsphase? Gibt es allgemeingültige Regeln für ein gelungenes Gesamterlebnis? Wann ist es Zeit, sich von einer guten Idee zu trennen, um ein funktionierendes Ganzes zu erschaffen? Und passt Zimtgeruch eigentlich zur blauen Wandfarbe? Wir wagen den Sprung in den Alltag von Retail-Designern und lassen Sie an unseren Lösungsideen und Vorschlägen zur Umsetzung teilhaben. Wir zeigen Ihnen, was uns immer wieder hilft, auf Kurs zu bleiben und trotzdem neue Wege zu gehen. Multisensorik in der Umsetzung – ein Annäherungsversuch.

Hannah Sondermann

Kapitel 6. In-situ- und Vor-Ort-Sanierungsmaßnahmen

Im sechsten Kapitel des Buchs werden in-situ und vor-Ort-Methoden zur Behandlung von Grubenwasser dargelegt. Es ist eine Sammlung verschiedenster Verfahren, die sich nicht als klassische End-of-the-pipe-Methoden bezeichnen lassen, sondern die direkt am Grubenwasser selbst ansetzen oder noch bevor kontaminiertes Grubenwasser entsteht. Schwerpunkt bildet dabei die Sanierung von Oberflächengewässern, allen voran versauerte Restseen. Weiterhin enthält das Kapitel einen Abschnitt dazu, was mit den Reststoffen der Grubenwasserreinigung angestellt werden kann und wie Sie die Entstehung von kontaminiertem Grubenwasser verhindern können. Außerdem erfahren Sie, wieso es problematisch sein kann, ein Bergwerk vollständig zu verschließen. Ziel des Kapitels ist es, Ihnen Reinigungsmethoden vorzustellen, die in keine der vorherigen Kapitel passen, da sie das Grubenwasser oder die Bergwerksabfälle an Ort-und-Stelle behandeln. Am Ende des Kapitels können Siedie verschiedensten in-situ- oder vor-Ort Methoden zur Vermeidung und Behandlung von Grubenwasser beurteilen.

Christian Wolkersdorfer

Chapter 3. Aktive Methoden zur Behandlung von Grubenwasser

Zwölf aktive Methoden zur Reinigung von Grubenwasser bilden den Kern des Kap. 3. Sie folgen keiner speziellen Ordnung, außer das am Anfang das derzeit häufigste Verfahren steht, gleich danach das, was künftig hoffentlich häufiger zu sehen sein wird und am Ende die meines Erachtens interessanteste Methode. Ich habe bei jeder Methode möglichst viel zusammengetragen, um die einzelnen Schritte nachvollziehen zu können.Interessant ist,wo es in der Vergangenheit zu Problemen kam oder wo es noch Entwicklungspotenzial gibt. Bei einzelnen Methoden finden Sie ausführlich die Probleme dargestellt und warum sie derzeit möglicherweise wenig geeignet sind. Ziel des Kapitels ist es, Ihnen einen Überblick über die derzeit angewendeten aktiven Grubenwasserreingungsmethoden zu geben und Ihnen zu ermöglichen, weiter in der Literatur nachzulesen. Sie sollten nach diesem Kapitel in der Lage sein, die derzeit häufigsten Methoden zur aktiven Reinigung von Grubenwasser zu verstehen.

Christian Wolkersdorfer

Kapitel 8. Finis

Eine Reise endet hier – vorerst! Ergebnis der Recherchen ist, dass Grubenwasser weltweit gesehen einen der volumenmäßig größten Schadstoffströme darstellt, aber nicht in jedem Fall kontaminiert ist. Tausende Kilometer an Gewässern, ausgedehnte Flächen in Naturschutzgebieten und unzählige Grundwasserleiter sind durch saures oder (halb-)metallhaltiges Grubenwasser verunreinigt oder potenziell gefährdet. Um die negativen Auswirkungen auf die Ökosphäre und Anthroposphäre so gering wie möglich zu halten, ist es daher unerlässlich, verunreinigtes Grubenwasser derart aufzubereiten, dass die Auswirkungen auf die Umwelt auf ein Mindestmaß beschränkt bleiben oder vollständig unterbunden werden.

Christian Wolkersdorfer

Kapitel 1. Einleitung

Dieses Kapitel beschreibt Ihnen zunächst wie es zu diesem Buch kam und welche Intentionen das Buch verfolgt. Ziel des Kapitels ist, Ihnen einen Einstieg in das Thema zu geben, indem Sie die wichtigsten Grundlagen über Grubenwasser erfahren. Zunächst folgt eine Erklärung vonBegriffen, bei denen es oftmals Unklarheiten gibt. Dazu gehören das unnötigerweise verwendeteWort Schwermetall, die Acidität und Alkalinität sowie die die unterschiedlichenTypen passiver Reinigungssysteme für Grubenwasser. Wichtigster Teil des Kapitels ist die Entstehung von Grubenwasser, wobei ich auf die chemischen und biologischen Aspekte eingehe und wie sich die Natur selbst hilft, einen Teil des Problems zu lösen. Das Kapitel schließt mit verschiedenen Möglichkeiten, Grubenwasser zu klassifizieren. Darunter sind einfache, bekanntere, wie das Piper- oder Durov-Diagramm, aber auch aufwändigere wie das Ficklin-Diagramm. Nachdem Sie das Kap. 1 durchgearbeitet haben, besitzen Sie den Grundstein für das weitere Verständnis des Buchs.

Christian Wolkersdorfer

Kapitel 5. Alternative Methoden zum Management von Grubenwasser

Kapitel 5 beschreibt unterschiedliche Methoden, die nicht generell als aktiv oder passiv bezeichnet werden können. Sie lassen sich vor allem dann anwenden, wenn ganz spezielle Verhältnisse vorliegen oder wenn schon vor dem Anlegen eines neuen Bergwerks an dessen Ende gedacht wird. Drei Methoden werden vorgestellt: natürliche Selbstreinigung, Änderung der Abbaumethoden und biologische Methoden zur Metallgewinnung, die sich jedoch keinesfalls gegenseitig ausschließen. Ziel des Kapitels ist es, diese Methoden zu beschreiben und in welchen Situationen sie sich jeweils verwenden lassen. Am Kapitelende werden Sie verstehen, worum es sich bei natürlicher Selbstreinigung handelt und wann diese Methode angebracht ist. Sie werden verstehen, zu welchem Zeitpunkt Sie über eine Änderung der Abbaumethoden nachdenken sollten und worum es sich bei den derzeit verwendeten und zu erforschenden biologischen Methoden zur Metallgewinnung handelt.

Christian Wolkersdorfer

Kapitel 4. Passive Methoden zur Behandlung von Grubenwasser

Kapitel 4 stellt Ihnen acht bekannte passive Methoden vor, mit denen Sie Grubenwasser reinigen können. Sie erfahren, worum es sich bei passiver Grubenwasserreinigung handelt. Zudem finden Sie ein Ablaufschema, mit dem Sie entscheiden können, welche passive Grubenwasserreinigung für ein bestimmtes Grubenwasser geeignet sein könnte. Anhand zahlreicher Literaturbeispiele wird jede Methode erläutert, und Sie erfahren deren Vor- und Nachteile. Besonderes Augenmerk liegt auf einer klaren Definition von „Wetlands“ und folglich der Abgrenzung von aeroben und anaeroben konstruierten Feuchtgebieten. Ziel des Kapitels ist es, Ihnen einen weitreichenden Überblick über alle derzeit für Grubenwasser angewendeten passiven Methoden zu geben. Dabei entsprechen die Reihenfolge und Länge der Abschnitte in etwa der Bedeutung der Methode. Am Ende des Kapitels sind Sie in der Lage, jede passive Reinigungsmethode und deren Einsatzmöglichkeiten zu verstehen. Ihnen ist zudem möglich, anhand einer Grubenwasseranalyse zu entscheiden, welche passive Methode für welches Wasser geeignet ist.

Christian Wolkersdorfer

Kapitel 7. Restnutzung der Sanierungsobjekte oder Aufbereitungsrückstände

Was Sie tun können, wenn Sie Ihr Grubenwasser eines Tages ausreichend gereinigt haben oder was, wenn Ihr Bergwerk saniert ist, beschreibt Kap. 7. Am Ende bleiben Ihnen das ehemalige Bergwerksgelände und die Abfallstoffe einer Grubenwasserreinigung. Welche Optionen Sie haben, Ihr Bergwerk oder das Bergwerksgelände einer Nachnutzung zuzuführen ist Kernpunkt des ersten Teils in diesem Kapitel, das Ihnen eine Auswahl an tatsächlich existierenden Objekten vorstellt.Am interessantesten ist vielleicht das Hotel im Steinbruch in Shanghai. Abschließend erfahren Sie, wie wir künftig die Abfallstoffe der Grubenwasserreinigung verwenden können. Wesentliches Ziel des Kapitels ist es darzulegen, dass im Bergbau eine teilweise Nachhaltigkeit sensu v. Carlowitz möglich ist. Am Ende des Kapitelshabe Sie das Wissen überNachnutzungsoptionen eines Bergwerksgeländes oder für die Reststoffe der Grubenwasserreinigung.

Christian Wolkersdorfer

Kapitel 2. Voruntersuchungen

Im Kap. 2 erfahren Sie, welche Untersuchungen erforderlich sind, um die physiko-chemischen Verhältnisse Ihres Grubenwassers zu verstehen. Dies beginnt bei der Probenahme von Grubenwasser und leitet über zu den wichtigen Parametern, mit denen Sie Ihre Wasserqualität beurteilen können. Es schließt mit einigen Möglichkeiten, Ihre Erkenntnisse aus den Untersuchungen anzuwenden. Bei ausgewählten Parametern gehe ich darauf ein, wo es zu Problemen bei der Messung oder der Interpretation kommen kann. Ziel des Kapitels ist es, Ihnen die grundlegenden Werkzeuge an die Hand zu geben, die Ihnen eine erste Beurteilung Ihres Grubenwassers erlauben und Sie gleichzeitig auf potenzielle Stolpersteine hinzuweisen. Außerdem erfahren Sie, wie Sie sich vor Berglöwen schützen können. Am Ende des Kapitels sollten Sie in der Lage sein, eine korrekte Probenahme von Grubenwasser durchzuführen und anhand weniger Messwerte erste Vorstellungen zu Ihrer Grubenwasserreinigungsanlage zu entwickeln.

Christian Wolkersdorfer

Kapitel 9. Diagenetische Entstehung von Erz-Lagerstätten

Vorbemerkung: Die Darstellung der in diesem Kapitel behandelten diagenetischen sedimentären Erz-Lagerstätten fußt im Wesentlichen auf wenigen ausgewählten Übersichtsreferaten für (1) Pb–Zn-Lagerstätten vom Mississippi–Valley-Typ (Leach und Sangster 1993; Paradis et al. 2007), (2) schichtgebundene sedimentäre Kupfer-Lagerstätten (Brown 1997, 2005; Hitzmann et al. 2010), und (3) sedimentäre Uranerz-Lagerstätten (Finch und Davis 1985). Die Literaturlisten für jeden aufgeführten Lagerstättentyp werden der Übersichtlichkeit halber nicht zu einer einheitlichen Liste zusammengefasst, sondern getrennt am Ende der Einzelabschnitte angefügt.

Reinhard Hesse, Reinhard Gaupp

Kapitel 9. Ressourceneffizienz und Kostenpotenziale in der additiven Fertigung

Nachhaltigkeit ist in der Literatur ein umfangreich diskutierter Ausdruck, daher sei für eine weitergehende Auseinandersetzung auf die vielfältige Lektüre verwiesen [Dre08, GK12, Her10, Mat13, Puf14]. An dieser Stelle soll der konstitutive Rahmen für die Definition eines nachhaltigen Handelns erörtert werden, der in dieser Arbeit die Grundlage für ein quantitatives Bewertungskonzept verschiedener Produktionsverfahren bildet. Zu diesem Zweck wird aus der Begriffsgenese eine quantifizierbare Zielbeschreibung für die Bewertung der Nachhaltigkeit der additiven Fertigung abgeleitet und eingeordnet.

Mauritz Leander Birger Möller

Kapitel 11. Testserien Physik II

Dieses Kapitel umfasst verschiedene Testserien mit gemischten Aufgaben zu Schwingungen, Wellen, zur Optik, zur klassischen Elektrodynamik sowie zur Atom- und Quantenphysik.

Gerhard Rufa

29. Werkstoff- und Bauteileigenschaften

Eine funktionsgerechte Werkstoffauswahl basiert auf einer umfassenden rechnerischen und experimentellen Belastungs‐ und Beanspruchungsanalyse des Bauteils (s. Teil III) und einem Vergleich der Beanspruchung mit geeigneten Werkstoffkennwerten.

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner, Christina Berger, Karl-Heinz Kloos

33. Tribologie

Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung (DIN 50323, Teil 1). Diese Definition ist aus der englischen Originalfassung abgeleitet: Tribology – Science and technology of interacting surfaces in relative motion and practices related thereto [1]. Im heutigen Verständnis lässt sich „interacting surfaces in relative motion“ gut mit „Wirkflächen in Relativbewegung“ übersetzen. Die Tribologie umfasst die Teilgebiete Reibung, Verschleiß und Schmierung. Sie steht in enger Beziehung zu den Werkstoffen der beteiligten Körper. deshalb ihre Behandlung in Teil IV.Die Bedeutung der Reibung für die CO2-Emissionen erreichte bislang nicht die politische Diskussion. Der Anteil der Reibungsverluste am globalen Primärenergieverbrauch beträgt 20–23 % [2], wobei das realistische und langfristige Minderungspotential des globalen Primärenergieverbrauchs durch Reibungsverluste bei ∼40 % liegt. Folglich könnten von den in 2017 emittierten ca. 32 500 Millionen Tonnen (Mt) an globalem CO2-Emissionen rechnerische >2.600 Millionen Tonnen CO2 durch Reibungsminderungen eingespart werden.

Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Habig, Mathias Woydt

34. Korrosion und Korrosionsschutz

Korrosion der Metalle ist die physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu Veränderungen der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden, führen kann [1]. Die Beständigkeit gegen Korrosion ist daher eine Eigenschaft eines Bauteiles oder einer Komponente in einem technischen System. Korrosionsbeständigkeit bezeichnet die Fähigkeit des Werkstoffes unter dem jeweils vorliegenden Bauteildesign, einer Korrosionsbeanspruchung zu widerstehen und so die Funktionsfähigkeit des Bauteiles zu erhalten (Abb. 34.1). Die Korrosionsbeanspruchung ergibt sich aus den Umgebungsbedingungen seitens des Mediums und seitens des jeweiligen konstruktiven Designs. Übersteigt die Korrosionsbeanspruchung eines Werkstoffes einer technischen Komponente dessen Beanspruchbarkeit, d. h. seinen Korrosionswiderstand, dann ist die funktionsgerechte Wechselwirkung dieser drei Faktoren beeinträchtigt und es kann ein Korrosionsschaden eintreten. Ein Korrosionsschaden (Damage) liegt also nicht notwendigerweise bei Korrosion an sich, sondern nur dann vor, wenn die Funktionsfähigkeit einer bestimmten Komponente in einem technischen System beeinträchtigt ist. Darüber hinaus muss ein Korrosionsschaden an einer Komponente nicht notwendigerweise zu einem Versagen (Failure) bzw. Ausfall, d. h. dem totalen Verlust der Funktionsfähigkeit des jeweiligen gesamten technischen Systems führen. Der Begriff Korrosion bezieht sich überwiegend auf metallische Werkstoffe. Aber bei Gläsern und Keramiken wird von Korrosion gesprochen und auch an organischen nichtmetallischen (Polymer‐ und Komposit‑) Werkstoffen gibt es korrosionsartige Erscheinungen. Hierauf wird jedoch in diesem Abschnitt nicht eingegangen.

Prof. Dr.-Ing. Thomas Böllinghaus, Prof. Dr. Michael Rhode, Thora Falkenreck

31. Eigenschaften und Verwendung der Werkstoffe

Als Eisenwerkstoffe werden die für Bauteile und Werkzeuge anwendbaren Metalllegierungen bezeichnet, bei denen der mittlere Gewichtsanteil an Eisen höher als der jedes anderen Legierungselements ist. Sie werden in die Gruppe der Stähle und Gusseisenwerkstoffe aufgegliedert. Beide Gruppen unterscheiden sich vor allem im Kohlenstoffgehalt und weisen teilweise sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Während die Stähle Eisenwerkstoffe darstellen, die sich i. Allg. für die Warmumformung eignen, erfolgt die Formgebung der Gusseisenwerkstoffe durch Urformen (s. Bd. 2, Kap. 39). Abgesehen von einigen Cr‐reichen Stählen liegt der C‐Gehalt der Stähle unter rd. 2 %, der C‐Gehalt der Gusseisenwerkstoffe über 2 %. Während bei Stählen der Kohlenstoff im Eisengitter gelöst oder in chemisch gebundener Form als Karbid vorliegt, tritt er im Gusseisen teilweise als Graphit auf. Stahlguss, dessen Formgebung ebenfalls durch Urformen erfolgt, wird zur Gruppe der Stähle gerechnet.Im stabilen Eisen‐Kohlenstoff‐System tritt Kohlenstoff als Graphit in hexagonaler Gitterstruktur auf. Diese Gleichgewichtsphase stellt sich nur bei extrem langen Glühzeiten ein. Bei den üblichen Wärmebehandlungen der Stähle liegt Kohlenstoff in chemisch gebundener Form als Eisenkarbid Fe3C (Zementit) vor. Für technische Zwecke wird daher in der Regel statt des Systems Eisen‐Kohlenstoff das metastabile System Eisen‐Zementit betrachtet, wenn auch im Bereich des Gusseisens (C > rd: 2 %) eine teilweise Graphitbildung erfolgt, der reale Werkstoffzustand also zwischen dem des stabilen und des metastabilen Systems liegt.

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner, Christina Berger, Karl-Heinz Kloos

7. Stahlleichtbau – kaltgeformte dünnwandige Bauteile

In Kap. 2 wurde bereits ausführlich die Phänomene des Plattenbeulens erläutert. Hier waren die Grundlagen ebene Platten mit Abmessungen von mindestens 3 mm Plattenstärke, die auf der Basis von DIN EN 1993-1-5 bemessen werden können. Eine weitere im Stahlbau häufig verwendete Bauart ist der Stahlleichtbau. Hierbei werden dünne Flachbleche durch Kaltverformung (Kanten der Bleche) in quasi beliebige Formen gebracht, siehe Abb. 7.1. Durch die Kantungen wird die Tragfähigkeit deutlich erhöht, sodass statt des wenig belastbaren Flachblechs große Tragfähigkeiten erreicht werden können. Hierbei werden i. d. R. Blechtstärken von 0,5 bis 3 mm verwendet. Typische Anwendungsgebiete sind u. a.Gemäß DIN EN 1993-1-3/NA wird die Kernblechdicke $$t_{\mathrm{cor}}$$ t cor für folgende Grenzen definiert: 7.1 $$\displaystyle 0{,}45\,\mathrm{mm}\leq t_{\mathrm{cor}}\leq 3\,\mathrm{mm}$$ 0,45 mm ≤ t cor ≤ 3 mm Typische Dachkonstruktionen sind in Abb. 7.2 dargestellt. In Abb. 7.2a wird ein Trapezblech angeordnet mit oberseitiger Dämmung und Abklebung. Das Trapezblech wird dabei in der Regel als Durchlaufträger ausgebildet und spannt von Hallenbinder zu Hallenbinder. Alternativ ist in Abb. 7.2b eine Dachkonstruktion mit Z-Pfetten und oberseitigem Sandwichelement dargestellt. In diesem Fall spannt das die Dacheindeckung in Dachneigung und liegt auf den Pfetten auf. Diese tragen dann in der Regel als Koppelpfettensystem die Lasten zu den Bindern ab.

Wolfram Lohse, Jörg Laumann, Christian Wolf

1. Grundlagen der Thermodynamik

Die Thermodynamik ist das Gebiet der Physik, das die Umwandlung verschiedener Energieformen ineinander, unter besonderer Berücksichtigung von Wärme und mechanischer Arbeit, behandelt.Innerhalb der Thermodynamik gibt es zwei Teilgebiete:Die klassische oder phänomenologische Thermodynamik beschreibt einen Stoff durch seine makroskopisch messbaren Eigenschaften, z. B. Temperatur, Druck und Volumen.Die statistische Thermodynamik führt die makroskopischen Eigenschaften eines Stoffes auf die Eigenschaften seiner mikroskopischen Bestandteile zurück, z. B. auf die Orts-Koordinaten, Geschwindigkeiten bzw. Impulse der Atome oder Moleküle, und berechnet aus den Eigenschaften dieser mikroskopischen Teilchen mit Hilfe der statistischen Methoden der klassischen Mechanik und der Quantenmechanik die makroskopischen Eigenschaften des Stoffes. So entspricht die Temperatur eines Stoffes der kinetischen Energie seiner Atome oder Moleküle, und der Druck eines Gases ist der von den Gasteilchen auf die Gefäßwandung übertragene Impuls pro Flächeneinheit.Die Thermodynamik baut auf wenigen Axiomen auf, d. h. Grundsätzen, die nicht von anderen Sätzen abgeleitet und prinzipiell nicht bewiesen werden können. Sie stellen empirische Erfahrungssätze dar, die selbst oder deren Folgen bisher nicht durch die Erfahrung widerlegt worden sind. Alle Folgerungen, die man aus einem Satz herleiten kann und die von der Erfahrung bestätigt werden, gelten als Bestätigung für die Gültigkeit dieses Satzes. Umgekehrt aber ist ein Satz widerlegt, wenn nur eine seiner Folgerungen der Erfahrung widerspricht.

Christa Lüdecke, Dorothea Lüdecke

Kapitel 16. Gestaltungsrichtlinien

Die Grundregeln „eindeutig“, „einfach“ und „sicher“ (Kap. 14) sowie die im Kap. 15 beschriebenen Gestaltungsprinzipien sind aus den generellen Zielsetzungen an jedes zu entwickelnde Produkt abgeleitet und daher immer zu berücksichtigen. Darüber hinaus existiert eine Vielzahl spezifischer Gestaltungsrichtlinien, die jeweils auf für einen konkreten Entwicklungskontext geltender Zielsetzungen ausgerichtet sind. Dies können etwa die besondere Bedeutung von Leichtbauprinzipien im Flugzeugentwurf, die Korrosionsbeständigkeit in Anwendungen der Medizintechnik oder auch Prinzipien der modularen Produktgestaltung für ein Zulieferunternehmen in der Automobilbranche sein.

Beate Bender, Kilian Gericke, Jörg Heusel, Thomas Bronnhuber, Olaf Helms, Jens Krzywinski, Fritz Klocke, Klaus Dilger, Rainer Müller, Tobias Ehlers, Roland Lachmayer

Chapter 25. Virtuelle Produktentwicklung

Die Virtuelle Produktentstehung versteht sich als vollständige Digitalisierung des Produktentstehungs-prozesses – von der Planung über die Konstruktion bis zur Validierung der gefundenen Lösung anhand von Simulationen und Testen der Produkteigenschaften. Die Voraussetzungen dafür sind simulationsfähige digitale Produktmodelle, die idealerweise sämtliche Merkmale, Eigenschaften und zunehmend auch Interaktionen des Produktes – idealerweise auch mit der Umgebung (z. B. Digitale Fabrik) – abbilden. Die virtuelle Produktentstehung verortet sich zunächst in den initialen Phasen des Produktentstehungsprozesses und des Produktlebenszyklus (Abb. 25.1), also beginnend von der Planung und Konzeptionierung bis hin zur digitalen Fertigungsplanung und -absicherung.

Gamal Lashin, Rainer Stark

Kapitel 10. Klassische Elektrodynamik

In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit Phänomenen der elektromagnetischen Wechselwirkung. Zunächst betrachten wir zeitlich unveränderliche Ladungsverteilungen und Ströme, wobei die durch sie hervorgerufenen elektrischen und magnetischen Felder oder die durch den Stromfluss hervorgerufene Joule’sche Wärme ebenfalls zeitunabhängig sind. Zeitlich veränderliche Ladungsverteilungen und Ströme rufen dagegen zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder und diesbezügliche Erscheinungen hervor.

Gerhard Rufa

Kapitel 11. Atom- und Quantenphysik

Bisher haben wir uns lediglich mit makroskopischen Vorgängen beschäftigt, wobei wir alle makroskopisch auftretenden Dinge einer von zwei Gruppen zuordnen konnten, die wir Materie und Strahlung nennen.

Gerhard Rufa

Kapitel 6. Thermodynamik

Mit der Erfindung der Dampfmaschinen entstand die Thermodynamik, um erstmals Wärme in Arbeit umzuwandeln. Heute ist sie essenziell, um die Effizienz von Maschinen zu beurteilen – und deshalb auch Basiswissen vieler Studiengänge.In diesem Kapitel lernen Sie, wie Temperatur Stoffe verändert, Längen- und Volumenausdehnung zu berechnen, Wärmekapazität zu verstehen und die Zustandsgleichung eines idealen Gases kennen.

Patrick Steglich, Katja Heise

Kapitel 8. Silicatkristalle und -schmelzen

Die meisten gesteinsbildenden Minerale sind Silicate, d. h. Verbindungen, in denen Metalle mit Silicium und Sauerstoff kombiniert werden. In diesem Kapitel wird untersucht, wie die chemische Struktur dieser Verbindungen, insbesondere die Art der Bindung, die bekannten morphologischen und physikalischen Eigenschaften von Silicatmineralen und die physikalischen Eigenschaften von Silicatschmelzen bestimmt.

Robin Gill

Chapter 6. Was wir aus dem Periodensystem lernen können

Wenn wir die chemischen Elemente in der Reihenfolge ihrer Ordnungszahl untersuchen, führt die Struktur der Energieniveaus in den Atomen zusammen mit dem Effekt der zunehmenden Kernladung zu einer Periodizität ihrer chemischen Eigenschaften. Das Periodensystem bietet eine kompakte Möglichkeit, um die Variation der chemischen Eigenschaften (wie Elektronegativität und Wertigkeit) der Elemente zusammenzufassen. Die Wellenlängen von Atomspektren variieren systematisch mit der Ordnungszahl des Elements und bieten ein leistungsfähiges Mittel, um die Konzentration jedes Elements in einem Mineral oder Gestein zu bestimmen.

Robin Gill

Kapitel 7. Chemische Bindung und die Eigenschaften von Mineralen

Viele Eigenschaften von Mineralen (Härte, Kristallstruktur, elektrische Leitfähigkeit, Löslichkeit, Glanz usw.) lassen sich leicht durch die chemischen Bindungen erklären, die sie auf atomarer Ebene zusammenhalten. Ionische Bindungen – mit Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen zwischen Atomen – bilden sich zwischen Elementen sehr unterschiedlicher Elektronegativität. Die Strukturen ionischer Verbindungen werden durch das dichte Packen von kugelförmigen Ionen unterschiedlicher Größe bestimmt und lassen sich aus dem Radienverhältnis von Kationen zu Anionen vorhersagen. Kovalente Bindungen – mit von zwei Atomen gemeinsam verwendeten Elektronen – bilden sich zwischen Elementen gleicher oder sehr ähnlicher Elektronegativität. Die Strukturen einfacher Moleküle und größerer Kristalle können aus der Geometrie von Atomorbitalen vorhergesagt werden. Metallische Bindungen bilden sich zwischen Elementen ähnlicher Elektronegativität, wenn der Mittelwert der Elektronegativität gering ist. In der Realität liegen Mischformen zwischen den idealen Bindungstypen vor.

Robin Gill
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