Finite Elemente Methode (Diskretisierung, Solver, Programmierung mit Python, Automatisierte Steuerung und Auswertung von Parameterstudien)

Beispiele der Elastomechanik (Zug, Biegung, Vierpunktbiegung, Kontakt)

Materialverhalten (Elastizität, Plastizität, kleine und große Deformationen, Nichtlinearitäten)

Lösung inverser Probleme (maschinelle Datengenierung, Neuronale Netze, direkte und inverse Lösungen, Existenz und Eindeutigkeit)

Alle Vorlesungsmaterialien und Beispiellösungen (Input-Dateien, Python Scirpte) werden auf Stud.IP zur Verfügung gestellt.

All lecture material and example solutions (input files, python scripts) will be made available in Stud.IP.

• Motivation: „Atome im Maschinenbau?“
• Grundbegriffe: Kraft und Energie
• Die elektromagnetische Wechselwirkung
• „Detour“: Mathematische Grundlagen (komplexe e-Funktion etc.)
• Das Atom: Bohrsches Atommodell
• Chemische Bindung
• Das Vielteilchenproblem: Lösungsansätze und Strategien
• Beschreibung von Nahordnungsphänomene mittels statistischer Thermodynamik
• Elastizitätstheorie auf atomarer Basis
• Konsequenzen des atomaren Verhaltens auf makroskopische Eigenschaften: Diskussion von Beispielen (Metalllegierungen, Halbleiter, Hybridsysteme)

Für den Elektromagnetismus:

• Bergmann-Schäfer: „Lehrbuch der Experimentalphysik“, Band 2: „Elektromagnetismus“, de Gruyter

Für die Atomphysik:

• Haken, Wolf: „Atom- und Quantenphysik“, Springer

Für die Materialphysik und Elastizität:

• Hornbogen, Warlimont: „Metallkunde“, Springer

- Warum atomare Materialmodellierung
- Newtonsche Bewegungsgleichung und numerisches Lösen
- Ergodizität
- Atommodelle
- Grundlagen der Quantenmechanik
- Atomare & Molekulare Mehrelektronensysteme
- Hartree-Fock Ansatz und Dichtefunktionaltheorie
- Monte-Carlo Verfahren
- Molekulardynamiksimulationen
- Phasenfeldsimulationen

Begleitliteratur zur Vorlesung (sortiert nach Relevanz):

1. Daan Frenkel & Berend Smit „Understanding Molecular Simulations“
2. Mark E. Tuckerman „Statistical Mechanics: Theory and Molecular Simulations“
3. Andrew R. Leach „Molecular Modelling: Principles and Applications“

Zur Vorbereitung auf den quantenmechanischen Teil der Klausur empfiehlt sich folgende Literatur

1. Regine Freudenstein & Wilhelm Kulisch "Wiley Schnellkurs Quantenmechanik"
   

Ziel der Veranstaltung:

- Vertiefung des Verständnisses des Vorlesungsstoffes in Materialphysik (mikroskopische Struktur, Gitterschwingungen, Dynamik der Elektronen, thermische und elektrische Eigenschaften von Materialien) anhand von Rechenübungen.

- Erlernen von Fähigkeiten zur atomistischen Simulation von Materialien auf Basis von ab-initio und klassischen Kraftfeldrechnungen durch Hands-on Tutorials.

- Daan Frenkel & Berend Smit: Understanding Molecular Simulation from Algorithms to Applications

- Rudolf Gross und Achim Marx: Festkörperphysik

• Structural characterization by photons, neutrons and electrons (in particular X-ray and neutron scattering, electron microscopy, tomography)
• Mechanical and thermodynamical characterization methods (indenter measurements, mechanical compression and tension tests, specific heat measurements)
  

• Characterization of optical, electrical and magnetic properties (spectroscopy, electrical conductivity and magnetometry)

  
  

William D. Callister und David G. Rethwisch, Materialwissenschaften und Werkstofftechnik, Wiley&Sons, Asia (2011).

William D. Callister, Materials Science and Technology, Wiley& Sons, Inc. (2007).

Grundlagen der statistischen Physik, formale Struktur der phänomenologischen Thermodynamik, einfache atomistische Modelle und freie Energiefunktionen für Mischkristalle und Verbindungen. Korrekturen bei nichtlokaler Wechselwirkung (Elastizität, Gradiententerme). Phasengleichgewicht und Legierungsphasendiagramme als Konsequenz daraus. Einfache atomistische Betrachtungen für Wechselwirkungsenergien in metallischen Mischkristallen. Diffusion in realen Systemen. Kinetik von Phasenumwandlungen unter anwendungsrelevanten Randbedingungen. Partitionierung, Stabilität und Morphologie an Erstarrungsfronten. Ordnung von Phasenübergängen, Glasübergang. Phasenübergänge in nano- und mikroskaligen Systemen.

D.A. Porter, K.E. Easterling, “Phase transformations in metals and alloys”, New York, CRC Press, Taylor & Francis, 2009, 3. Auflage

Peter Haasen, „Physikalische Metallkunde“ , Springer 1994

Herbert B. Callen, “Thermodynamics and an introduction to thermostatistics”, New York, NY: Wiley, 1985, 2. Auflage.

Robert W. Cahn und Peter Haasen, "Physical Metallurgy", Elsevier 1996

H. Ibach, “Physics of Surfaces and Interfaces” 2006, Berlin: Springer.

Übungsaufgaben zur Einübung und Vertiefung der im Modul vermittelten Fähigkeiten und Inhalte. In den Übungen werden mathematische Details vertieft mit dem Ziel, die Studierenden mit Gleichungen/Konzepten und deren Anwendung in der Praxis vertraut zu machen (z. B. Definition thermodynamischer Potenziale und Beziehungen, Berechnung von Enthalpie und Entropie eines Mischkristalls, Konstruktion von Phasendiagrammen, ...).

D.A. Porter, K.E. Easterling, “Phase transformations in metals and alloys”, New York, CRC Press, Taylor & Francis, 2009, 3. Auflage

Peter Haasen, „Physikalische Metallkunde“ , Springer 1994

Herbert B. Callen, “Thermodynamics and an introduction to thermostatistics”, New York, NY: Wiley, 1985, 2. Auflage.

Robert W. Cahn und Peter Haasen, "Physical Metallurgy", Elsevier 1996

H. Ibach, “Physics of Surfaces and Interfaces” 2006, Berlin: Springer.

William D. Callister und David G. Rethwisch, Materialwissenschaften und Werkstofftechnik, Wiley&Sons, Asia (2011).

William D. Callister, Materials Science and Technology, Wiley& Sons, Inc. (2007).

Versuch 1: Aktuatoren für moderne Kraftstoffeinspritzsysteme - Synthese und Eigenschaften eines bleifreien Modellaktuators

Experimentelle Arbeitspakete: Charakterisierung der Größenverteilung des Ausgangspulvers und Verarbeitung zu einem Grünkörper durch kalt-isostatisches Pressen; Charakterisierung der Kristallographie und Phase über Röntgenbeugung. Charakterisierung der Permittivität und der Potenzial-Dehnungs-Isothermen; Messung von Dichte und Korngröße; Messung der Bruchzähigkeit über Indentationsverfahren.

Versuch 2: Auswirkungen von Schädigungen in Faserverbundwerkstoffen auf deren Restfestigkeit

Experimentelle Arbeitspakete: Herstellung von Probeplatten im Prepreg/Autoklav-Verfahren; Schadenseinbringung mittels Fallgewicht, Analyse der Schlagschäden mittels Ultraschall; Prüfung der Restfestigkeit der Probeplatten im Druckversuch

Versuch 3: Aktuatorik mit nanoporösen Metallen

Experimentelle Arbeitspakete: metallurgische Herstellung der Ausgangslegierung durch Erschmelzen im Lichtbogenofen; Umwandlung in einen nanoporösen Körper durch elektrochemische Legierungskorrosion; elektrochemische Charakterisierung, insbesondere hinsichtlich des spezifischen Flächeninhalt und der Strukturgröße; Charakterisierung der elektrochemischen Aktorik durch in-situ Dilatometrie in elektrochemischer Umgebung unter Ausnutzung der Mechanismen der Elektrokapillarität

Versuch 4: Fluidtransport durch nanoporöse Membranen

Experimentelle Arbeitspakete: Anpassung eines Laserinterferometers an den Versuch; Justage des Interferometers; Dokumentation der optischen Signatur während des Kapillarsteigens von Wasser in einer Membran aus nanoporösem Silizium

Versuch 5: Mikro- und Nanostrukturanalyse mittels Elektronenmikroskopie

Experimentelle Arbeitspakete: Slice-and-View-Tomographie mittels fokussiertem Ionenstrahl und 3D-Rekonstruktion; Zusammensetzungs- und Phasenanalyse im Rasterelektronenmikroskop; Nanoskalige Gefüge- und Kristallstrukturuntersuchung im Transmissionselektronenmikroskop

Versuch 6: Modellierung atomistischer Wechselwirkungen mithilfe maschinellem Lernens

Quantenchemische Berechnungen von Modellsystemen mittels Dichtefunktionaltheorie; Training eines künstlichen neuronalen Netzwerks auf interatomare Wechselwirkungspotentiale; Molekulardynamik-Simulation der Modellsysteme mithilfe der gelernten Wechselwirkungen; Strukturanalyse und Vergleich mit experimentellen Daten.

• Aktuelle Übersichtsartikel aus Fachzeitschriften
• Current review articles from scientific journals
  

Theoretische Festigkeit
eines perfekten Materials, theoretische kritische Schubspannung

Tatsächliche Festigkeit von spröden Materialien
Energiefreisetzungsrate, Spannungsintensitätsfaktor, Bruchkriterium

Streuung der Festigkeit
Fehlerverteilung, Festigkeitsverteilung, Weibullverteilung

Heterogene Materialien I
Innere Spannungen, Mikrorisse, Stoffgesetze (E-Modul parallel, senkrecht)

Heterogene Materialien II
Verstärkungsmechanismen: Rissbrücken, Faser

Heterogene Materialien III
Verstärkungsmechanismen: Prozesszone

Messmethoden der zur Bestimmung der Bruchzähigkeit spröder Materialien

R-Kurve, stabiles/ instabile Risswachstum, Fraktographie

Thermoschock

Unterkritisches Risswachstum
v-K-Kurve, Lebensdauerberechnung

Kriechen

Mechanische Eigenschaften von biologischen Materialien

Anwendungsbeispiele zur mechanischen zuverlässigen Auslegung keramischer Bauteile

D R H Jones, Michael F. Ashby, Engineering Materials 1, An Introduction to Properties, Applications and Design, Elesevier

D.J. Green, An introduction to the mechanical properties of ceramics”, Cambridge University Press, 1998

B.R. Lawn, Fracture of Brittle Solids“, Cambridge University Press, 1993

D. Munz, T. Fett, Ceramics, Springer, 2001

D.W. Richerson, Modern Ceramic Engineering, Marcel Decker, New York, 1992

This class will cover the principles of dislocation theory from a physical metallurgy perspective, providing a fundamental understanding of the relations between the strength and of crystalline solids and distributions of defects.

We will review the concept of dislocations, defining terminology used, and providing an overview of important concepts (e.g. linear elasticity, stress-strain relations, and stress transformations) for theory development. We will develop the theory of dislocation plasticity through derived stress-strain fields, associated self-energies, and the induced forces on dislocations due to internal and externally applied stresses. Dislocation structure will be discussed, including core models, stacking faults, and dislocation arrays (including grain boundary descriptions). Mechanisms of dislocation multiplication and strengthening will be covered along with general principles of creep and strain rate sensitivity. Final topics will include non-FCC dislocations, emphasizing the differences in structure and corresponding implications on dislocation mobility and macroscopic mechanical behavior; and dislocations in finite volumes.

Vorlesungsskript

Aktuelle Publikationen

Bücher:

Introduction to Dislocations, by D. Hull and D.J. Bacon

Theory of Dislocations, by J.P.  Hirth and J. Lothe

Physical Metallurgy, by Peter Hassen

Das Verhalten von Flüssigkeiten im Inneren ("Bulk") unterscheidet sich grundlegend vom Verhalten an Phasengrenzen. Durch die Modifikation von Grenzflächen mittels einschränkender Geometrien kann diese Verhaltensänderung in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt werden. Diese Anwendungen reichen von der Beeinflussung des Phasenverhaltens bis hin zur Steuerung der Adsorptionseigenschaften (transparent/adsorbierend).

In dieser LV starten wir mit den thermodynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten, insbesondere um Phasenübergänge (gas/flüssig, flüssig/fest) zu beschreiben. Darauf basierend führen wir Konzepte wie die Freie Energie einer Grenzfläche ein um Benetzungseigenschaften zu beschreiben. Die verwendeten Konzepte eignen sich zur Beschreibung von Flüssigkeiten sowohl an der Grenze zu industriell relevanten Materialien (z.B. Metalle vs. hydrophob beschichtete Oberflächen) als auch biologischer Materialien (Lipide, Prinzipien der Selbstorganisation).

Auf dem Verständnis der Grenzflächeneigenschaften aufbauend untersuchen wir dann den Einfluss von Einschränkungen, d.h. thermodynamische Eigenschaften von Flüssigkeiten in porösen Medien. Insbesondere betrachten wir hierbei Effekte wie Kapillarkonsensation, porengrößenabhängige Phasenübergänge und Auswirkungen auf das Transportverhalten. Zuletzt beschäftigen wir uns mit der Frage, wie durch gezieltes Ändern der Benetzungseigenschaften, z.B. durch elektrisches Schalten, funktionale Materialien hergestellt werden können und welche Eigenschaften multi-skalige Materialien, d.h. poröse Medien mit wohldefinierten Porengrößenverteilungen aufweisen.

Herstellung und Eigenschaften von Carbon Nanotubes (CNTs) and Graphenen (FLG)

Herstellung und Eigenschaften von 3-dimensionalen Kohlenstoffstrukturen

Herstellung und Eigenschaften von Verbunden aus Kohlenstoff-Strukturen und Thermoplasten bzw. Duromeren als Matrix

1. Poröse Festkörper - Präparation, Charakterisierung und Funktionalitäten
2. Fluidik mit nanoporösen Membranen
3. Thermoplastische Elastomere
4. Eigenschaftsoptimierung von Kunststoffen durch Nanopartikel
5. Faserverbundwerkstoffe
6. Werkstoffmodellierung auf quantenmechanischer Basis
7. Biomaterialien

Aktuelle Publikationen aus der Fachliteratur werden während der Veranstaltung bekanntgegeben.

Verarbeitung der Kunststoffe: Eigenschaften; Kalandrieren; Extrusion; Spritzgießen; Thermoformen; Schäumen; Fügen

Designing with Polymers: Materials Selection; Structural Design; Dimensioning

Osswald, Menges: Materials Science of Polymers for Engineers, Hanser Verlag
Crawford: Plastics engineering, Pergamon Press
Michaeli: Einführung in die Kunststoffverarbeitung, Hanser Verlag

Konstruieren mit Kunststoffen, Gunter Erhard , Hanser Verlag

Das Modul mit zwei Vorlesungen zielt darauf ab, den Studenten die Grundkenntnisse zum Ermüdungsverhalten der metallischen Verfahren zu vermitteln. Dabei werden nicht nur Werkstofftechnische Aspekte der Schädigungsentwicklung, sondern auch werkstoffmechanische Methoden der Strukturintegritätsbewertung betrachtet. Im Rahmen der Vorlesung „Ermüdung der metallischen Konstruktionswerkstoffe“ werden den Studenten Kenntnisse sowohl in der experimentellen Werkstoff- und Komponentenprüfung mit Hinblick auf Ermüdung und Schadenstoleranz als auch bruchmechanische Ansätze für die Beschreibung der Ermüdungsverhalten vermittelt. Die wichtigen Aspekte der Vorlesung „Methoden für die Lebensdauerverlängerung“ sind zum einen Berücksichtigung des Einflusses der Eigenspannungen auf das Ermüdungsverhalten und zum anderen der Einsatz der Konstruktions- sowie Oberflächenmodifikationsmethoden für die Lebensdauerverlängerung. Ziel des Moduls ist die Befähigung der Studenten, das Ermüdungsproblem in metallischen Werkstoffen sowie Strukturen und Bauteilen mit Berücksichtigung der Fertigungsaspekte übergreifend zu verstehen, sowie Strategien für ein optimales Fatigue-Design selbstständig vornehmen zu können.

Inhalte der Lehrveranstaltung "Ermüdung metallischer Strukturwerkstoffe":

1. Einleitung. Grundlegende Aspekte des Ermüdungsverhaltens von metallischen Konstruktionswerkstoffen

2. Elemente der Bruchmechanik

3. Ermüdungseigenschaften von metallischen Werkstoffen

4. Ermüdungsfestigkeit. Spannungskonzentrationen an Kerben

5. Ermüdungsfestigkeit. Belastung mit variabler Amplitude

6. Ermüdungsrissausbreitung

7. Vorhersage der Ermüdungsrissausbreitung. Belastung mit variabler Amplitude

8. Vorhersage der Ermüdungsrissausbreitung unter Berücksichtigung von Eigenspannungen

9. Ermüdung bei niedrigen Zyklen

10. Bruchmechanische Vorhersage des Ermüdungsverhaltens

11. Spannungsrisskorrosion. Korrosionsermüdung

12. Reibende Ermüdung.

13. Ermüdung bei hohen und niedrigen Temperaturen.

14. Konzepte zur Bewertung der Strukturintegrität (Fail-Safe, Safe-Life, Schadenstoleranz, Defekttoleranz)

15. Schadenstoleranzdesign von additiv gefertigten Komponenten

1. Schijve J. Fatigue of Structures and Materials. 2nd ed. Delft: Springer; 2009.

2. McEvily A.J. Metal Failures. Mechanisms, Analysis, Prevention. 2nd ed. Hoboken: Wiley; 2013.

3. Eswara Prasad N, Wanhill RJH, eds. Aerospace Materials and Material Technologies. Volume 2: Aerospace Material Technologies. Singapore: Springer; 2017.

4. Xiong J.J., Shenoi R.A. Fatigue and Fracture Reliability Engineering. Springer, 2011.

5. Tavares SMO, de Castro PMST. An overview of fatigue in aircraft structures. Fatigue Fract Eng Mater Struct. 2017;40(10):1510-1529.

6. Sticchi M, Schnubel D, Kashaev N, Huber N. Review of residual stress modification techniques for extending the fatigue life of metallic aircraft components. Appl Mech Rev. 2015;67(1):010801.

7. Zerbst U, Bruno G, Buffiere JY, et al. Damage tolerant design of additively manufactured metallic components subjected to cyclic loading: State of the art and challenges. Progr Mater Sci. 2021;121:100786.

Das Modul mit zwei Vorlesungen zielt darauf ab, den Studenten die Grundkenntnisse zum Ermüdungsverhalten der metallischen Werkstoffe zu vermitteln. Dabei werden nicht nur Werkstofftechnische Aspekte der Schädigungsentwicklung, sondern auch werkstoffmechanische Methoden der Strukturintegritätsbewertung betrachtet. Im Rahmen der Vorlesung „Ermüdung der metallischen Konstruktionswerkstoffe“ werden den Studenten Kenntnisse sowohl in der experimentellen Werkstoff- und Komponentenprüfung mit Hinblick auf Ermüdung und Schadenstoleranz als auch bruchmechanische Ansätze für die Beschreibung der Ermüdungsverhalten vermittelt. Die wichtigen Aspekte der Vorlesung „Verfahren für die Lebensdauerverlängerung“ sind zum einen Berücksichtigung des Einflusses der Eigenspannungen auf das Ermüdungsverhalten und zum anderen der Einsatz der Konstruktions- sowie Oberflächenmodifikationsmethoden für die Lebensdauerverlängerung. Ziel des Moduls ist die Befähigung der Studenten, das Ermüdungsproblem in metallischen Werkstoffen sowie Strukturen und Bauteilen mit Berücksichtigung der Fertigungsaspekte übergreifend zu verstehen, sowie Strategien für ein optimales Fatigue-Design selbstständig vornehmen zu können.

Inhalte der Lehrveranstaltung "Verfahren für die Lebensdauerverlängerung":

1. Degradation und Versagen von metallischen Konstruktionswerkstoffen

2. Versagensmechanismen von metallischen Konstruktionswerkstoffen

3. Thermische und Eigenspannungen

4. Techniken zur Analyse von Eigenspannungen

5. Grundlegende Aspekte von Fe-C-Legierungen und deren Basistechnologien für die Herstellung von Komponenten

6. Grundlegende Aspekte von metallischen Leichtbauwerkstoffen und deren Basistechnologien für die Herstellung von Bauteilen

7. Oberflächentechnik. Thermochemische Wärmebehandlung. Beschichtungen

8. Oberflächentechnik. Mechanische Oberflächenbehandlungstechniken

9. Empfehlungen aus der Werkstofftechnik für die Gestaltung von Bauteilen

10. Fertigungstechnologien und ihr Einfluss auf Eigenspannungszustand und Ermüdungseigenschaften

1. Schijve J. Fatigue of Structures and Materials. 2nd ed. Delft: Springer; 2009.

2. McEvily A.J. Metal Failures. Mechanisms, Analysis, Prevention. 2nd ed. Hoboken: Wiley; 2013.

3. Eswara Prasad N, Wanhill RJH, eds. Aerospace Materials and Material Technologies. Volume 2: Aerospace Material Technologies. Singapore: Springer; 2017.

4. Xiong J.J., Shenoi R.A. Fatigue and Fracture Reliability Engineering. Springer, 2011.

5. Tavares SMO, de Castro PMST. An overview of fatigue in aircraft structures. Fatigue Fract Eng Mater Struct. 2017;40(10):1510-1529.

6. Sticchi M, Schnubel D, Kashaev N, Huber N. Review of residual stress modification techniques for extending the fatigue life of metallic aircraft components. Appl Mech Rev. 2015;67(1):010801.

7. Zerbst U, Bruno G, Buffiere JY, et al. Damage tolerant design of additively manufactured metallic components subjected to cyclic loading: State of the art and challenges. Progr Mater Sci. 2021;121:100786.

Verarbeitung der Verbundwerkstoffe: Handlaminieren; Pre-Preg; GMT; BMC; SMC; RIM; Pultrusion; Wickelverfahren

Die Studierenden bekommen die Aufgabenstellung in Form einer Kundenanfrage für die Entwicklung und Fertigung eines MTB-Lenkers aus Faserverbundwerkstoffen. In der Aufgabenstellung sind technische und normative Anforderungen angeführt, alle weiteren benötigten Informationen kommen aus den Vorlesungen und Übungen bzw. den jeweiligen Unterlagen (elektronisch und im Gespräch).

Der Ablauf ist in einem Meilensteinplan angeben und ermöglicht den Studierenden Teilaufgaben zu planen und so kontinuierlich zu arbeiten. Bei Projektende besitzt jede Gruppe einen selbst gefertigten Lenker mit geprüfter Qualität.

In den einzelnen Projekttreffen werden die Konzeption (Diskussion der Anforderungen und Risiken) hinterfragt. Die Berechnungen analysiert, die Fertigungsmethoden evaluiert und festgelegt. Materialien werden ausgewählt und der Lenker wird gefertigt. Die Qualität und die mechanischen Eigenschaften werden geprüft und eingeordnet. Am Ende  Abschlussbericht erstellt (Zusammenstellung der Ergebnisse für den „Kunden“).

Nach der Prüfung während des „Kunden/Lieferanten Gesprächs“ gibt es ein gegenseitiges Feedback-gespräch („lessons learned“), um die kontinuierliche Verbesserung  sicher zu stellen .

Åström: Manufacturing of Polymer Composites, Chapman and Hall

- Microstructure and properties of the matrix and reinforcing materials and their interaction
- Development of composite materials
- Mechanical and physical properties
- Mechanics of Composite Materials
- Laminate theory
- Test methods
- Non destructive testing
- Failure mechanisms
- Theoretical models for the prediction of properties
- Application

Die Studierenden erhalten die Aufgabenstellung in Form eines Materialdesigns für Prüfkörper aus Faserverbundwerkstoffen. Technische und normative Anforderungen sind in der Aufgabenstellung aufgeführt, alle weiteren benötigten Informationen stammen aus den Vorlesungen und Übungen bzw. den entsprechenden Unterlagen (elektronisch und im Gespräch).

Das Vorgehen ist in einem Meilensteinplan festgelegt und ermöglicht es den Studierenden, Teilaufgaben zu planen und so kontinuierlich zu arbeiten. Am Ende des Projekts wurden verschiedene Probekörper im Zug- oder Biegeversuch geprüft.

In den einzelnen Projektbesprechungen wird die Konzeption (Diskussion der Anforderungen und Risiken) hinterfragt. Die Berechnungen werden analysiert, die Produktionsmethoden werden bewertet und festgelegt. Die Werkstoffe werden ausgewählt und die Probekörper normgerecht hergestellt. Die Qualität und die mechanischen Eigenschaften werden geprüft und klassifiziert. Am Ende wird ein Abschlussbericht erstellt und die Ergebnisse werden allen Teilnehmern in Form einer Präsentation vorgestellt und diskutiert.

Hall, Clyne: Introduction to Composite materials, Cambridge University Press
Daniel, Ishai: Engineering Mechanics of Composites Materials, Oxford University Press
Mallick: Fibre-Reinforced Composites, Marcel Deckker, New York

The contents of the lecture are repeated and deepened using practical examples.

Calculations are carried out together or individually, and the results are discussed critically.

Hall, Clyne: Introduction to Composite materials, Cambridge University Press
Daniel, Ishai: Engineering Mechanics of Composites Materials, Oxford University Press
Mallick: Fibre-Reinforced Composites, Marcel Deckker, New York

Die Studierenden erhalten die Aufgabenstellung in Form eines Materialdesigns für Prüfkörper aus Faserverbundwerkstoffen. Technische und normative Anforderungen sind in der Aufgabenstellung aufgeführt, alle weiteren benötigten Informationen stammen aus den Vorlesungen und Übungen bzw. den entsprechenden Unterlagen (elektronisch und im Gespräch).
Das Vorgehen ist in einem Meilensteinplan festgelegt und ermöglicht es den Studierenden, Teilaufgaben zu planen und so kontinuierlich zu arbeiten. Am Ende des Projekts wurden verschiedene Probekörper im Zug- oder Biegeversuch geprüft.
In den einzelnen Projektbesprechungen wird die Konzeption (Diskussion der Anforderungen und Risiken) hinterfragt. Die Berechnungen werden analysiert, die Produktionsmethoden werden bewertet und festgelegt. Die Werkstoffe werden ausgewählt und die Probekörper normgerecht hergestellt. Die Qualität und die mechanischen Eigenschaften werden geprüft und klassifiziert. Am Ende wird ein Abschlussbericht erstellt und die Ergebnisse werden allen Teilnehmern in Form einer Präsentation vorgestellt und diskutiert.

Konstruieren mit Kunststoffen, Gunter Erhard , Hanser Verlag

The contents of the lecture are repeated and deepened using practical examples. Calculations are carried out together or individually, and the results are discussed critically.

Konstruieren mit Kunststoffen, Gunter Erhard , Hanser Verlag

This lecture covers the fundamentals magnetic resonance imaging (MRI) and magnetic resonance spectroscopy (NMR). It focuses on the following topics:

1. The fundamentals of magnetic resonance: magnetism, magnetic fields, radiofrequency, spin, relaxation
2. Hardware for magnetic resonance: magnets (high-field and low-field), radiofrequency coil design, magnetic field gradients
3. NMR-Spectroscopy: chemical shift, J-Coupling, 2D NMR, solid-state, MAS
4. Relaxometry: single-sided NMR, contrasts,
5. Magnetic resonance imaging (MRI): gradients, coils, k-space, imaging sequences, ultrafast Imaging, parallel imaging, velocimetry, CEST
6. Hyperpolarization techniques: DNP, p-H2, optical pumping with Xe
7. Applications of magnetic resonance in chemical engineering
8. Applications of magnetic resonance in material science and engineering
9. Applications of magnetic resonance in biomedical engineering    

Stapf, S., & Han, S. (2006). NMR imaging in chemical engineering. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN: 978-3-527-60719-8

Blümich B., (2003) NMR imaging of materials. Oxford University Press, Online- ISBN: 9780191709524 , doi: https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198526766.001.0001

Brown R. W., Cheng Y. N., Haacke E. M., Thompson M. R., Venkatesan R., (2014) Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., doi: 10.1002/9781118633953

Haber-Pohlmeier, Sabina, Bernhard Blumich, and Luisa Ciobanu, (2022) Magnetic Resonance Microscopy: Instrumentation and Applications in Engineering, Life Science, and Energy Research. John Wiley & Sons

In this course, the theoretical basics of magnetic resonance spectroscopy and magnetic resonance tomography are supplemented with practical experiments on the respective devices. The practical handling and operation of the equipment will be learned. 

Stapf, S., & Han, S. (2006). NMR imaging in chemical engineering. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN: 978-3-527-60719-8 

Blümich B., (2003) NMR imaging of materials. Oxford University Press, Online- ISBN: 9780191709524, doi: https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198526766.001.0001

Brown R. W., Cheng Y. N., Haacke E. M., Thompson M. R., Venkatesan R., (2014) Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., doi: 10.1002/9781118633953

Aktuelle Themen der Materialforschung auf dem Gebiet der metallischen Nanomaterialien.

Ausgehend von aktuellen Fachpublikationen erarbeiten die Studierenden unter Anleitung die wissenschaftlichen Grundlagen und stellen dazu die jeweils relevanten Arbeiten aus der Fachliteratur zusammen.

Based on current scientific publications, and under guidance, students work out the scientific fundamentals and compile the relevant works from the professional literature in each case.

Aktuelle Themen der Materialforschung auf dem Gebiet der Polymere, deren Verbundwerkstoffe und Nanomaterialien.

Based on current scientific publications, and under guidance, students work out the scientific fundamentals and compile the relevant works from the professional literature in each case.

Contents:

The lecture and the related laboratory exercises intend to provide an insight on advanced joining technologies for polymer-metal lightweight structures used in engineering applications. A general understanding of the principles of the consolidated and new technologies and its main fields of applications is to be accomplished through theoretical and practical lectures.

Theoretical Lectures:

• Review of the relevant properties of Lightweight Alloys, Engineering Plastics and Composites in Joining Technology
• Introduction to Welding of Lightweight Alloys, Thermoplastics and Fiber Reinforced Plastics
• Mechanical Fastening of Polymer-Metal Hybrid Structures
• Adhesive Bonding of Polymer-Metal Hybrid Structures
• Fusion and Solid State Joining Processes of Polymer-Metal Hybrid Structures
• Hybrid Joining Methods and Direct Assembly of Polymer-Metal Hybrid Structures

Laboratory Exercises:

• Joining Processes: Introduction to state-of-the-art joining technologies
• Introduction to metallographic specimen preparation, optical microscopy and mechanical testing of polymer-metal joints

Course Outcomes:

After successful completion of this unit, students should be able to understand the principles of welding and joining of polymer-metal lightweight structures as well as their application fields.

• S. T. Amancio-Filho, L.-A. Blaga, Joining of Polymer-Metal Hybrid Structures, Wiley, 2018
• J.F. Shackelford, Introduction to materials science for engineers, Prentice-Hall International
• J. Rotheiser, Joining of Plastics, Handbook for designers and engineers, Hanser Publishers
• D.A. Grewell, A. Benatar, J.B. Park, Plastics and Composites Welding Handbook
• D. Lohwasser, Z. Chen, Friction Stir Welding, From basics to applications, Woodhead Publishing Limited
• J. Friedrich, Metal-Polymer Systems: Interface Design and Chemical Bonding, Wiley, 2017
  
  

Lightweight construction

- Structural lightweight construction

- Material lightweight construction

- Choice criteria for metallic lightweight construction materials

 Steel as lightweight construction materials

- Introduction to the fundamentals of steels

- Modern steels for the lightweight construction

  - Fine grain steels

  - High-strength low-alloyed steels

  - Multi-phase steels (dual phase, TRIP)

  - Weldability

  - Applications

Aluminium alloys:

Introduction to the fundamentals of aluminium materials

Alloy systems

Non age-hardenable Al alloys: Processing and microstructure, mechanical qualities and applications

Age-hardenable Al alloys: Processing and microstructure, mechanical qualities and applications

Magnesium alloys

Introduction to the fundamental of magnesium materials

Alloy systems

Magnesium casting alloys, processing, microstructure and qualities

Magnesium wrought alloys, processing, microstructure and qualities

Examples of applications

Titanium alloys

Introduction to the fundamental of the titanium materials

Alloy systems

Processing, microstructure and properties

Examples of applications

Exercises and excursions

George Krauss, Steels: Processing, Structure, and Performance, 978-0-87170-817-5 , 2006, 613 S.

Hans Berns, Werner Theisen, Ferrous Materials: Steel and Cast Iron, 2008. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-540-71848-2

C. W. Wegst, Stahlschlüssel = Key to steel = La Clé des aciers = Chiave dell'acciaio = Liave del acero ISBN/ISSN: 3922599095

Bruno C., De Cooman / John G. Speer: Fundamentals of Steel Product Physical Metallurgy, 2011, 642 S.

Harry Chandler, Steel Metallurgy for the Non-Metallurgist 0-87170-652-0 , 2006, 84 S.

Catrin Kammer, Aluminium Taschenbuch 1, Grundlagen und Werkstoffe, Beuth,16. Auflage 2009. 784 S., ISBN 978-3-410-22028-2

Günter Drossel, Susanne Friedrich, Catrin Kammer und Wolfgang Lehnert, Aluminium Taschenbuch 2, Umformung von Aluminium-Werkstoffen, Gießen von Aluminiumteilen, Oberflächenbehandlung von Aluminium, Recycling und Ökologie, Beuth, 16. Auflage 2009. 768 S., ISBN 978-3-410-22029-9

Catrin Kammer, Aluminium Taschenbuch 3, Weiterverarbeitung und Anwendung, Beuith,17. Auflage 2014. 892 S., ISBN 978-3-410-22311-5

G. Lütjering, J.C. Williams: Titanium, 2nd ed., Springer, Berlin, Heidelberg, 2007, ISBN 978-3-540-71397

Magnesium - Alloys and Technologies, K. U. Kainer (Hrsg.), Wiley-VCH, Weinheim 2003, ISBN 3-527-30570-x

Mihriban O. Pekguleryuz, Karl U. Kainer and Ali Kaya “Fundamentals of Magnesium Alloy Metallurgy”, Woodhead Publishing Ltd, 2013,ISBN 10: 0857090887

Eine der wichtigsten Fragen bei der Modellierung mechanischer Systeme in der Praxis ist, wie man das Materialverhalten der einzelnen Bauteile modelliert. Neben einfacher isotroper Elastizität sind dabei von besonderer Bedeutung:

- Anisotropie (richtungsabhängige Materialeigenschaften etwa bei faserverstärkten Kunststoffen)
- Plastizität (dauerhafte Verformung durch einmalige hohe Belastung etwa in der Umformtechnik)
- Viskoelastizität (Absorption von Energie etwa bei Dämpfern)
- Kriechen (schleichende Verformung unter Langzeitbelastung z.B. in Rohrleitungen)

Diese Vorlesung gibt eine kurze Einführung in die theoretischen Grundlagen und mathematische Beschreibung der oben genannten Phänomene. In einer parallelen Übung werden diese anhand einfacher Berechnungsaufgaben vertieft. Dabei wird insbesondere erläutert, wie die oben genannten Phänomene in Computersimulationen modelliert werden können und wie man aus gegebenen Messdaten wichtige Materialparameter bestimmen kann.

Empfohlene Literatur / Recommended literature:
1) Dietmar Gross, Werner Hauger, Peter Wriggers, Technische Mechanik 4, Springer 2018, DOI: 10.1007/978-3-662-55694-8
2) Peter Haupt, Continuum Mechanics and Theory of Materials, Springer 2002, DOI: 10.1007/978-3-662-04775-0

Eine der wichtigsten Fragen bei der Modellierung mechanischer Systeme in der Praxis ist, wie man das Materialverhalten der einzelnen Bauteile modelliert. Neben einfacher isotroper Elastizität sind dabei von besonderer Bedeutung:

- Anisotropie (richtungsabhängige Materialeigenschaften etwa bei faserverstärkten Kunststoffen)
- Plastizität (dauerhafte Verformung durch einmalige hohe Belastung etwa in der Umformtechnik)
- Viskoelastizität (Absorption von Energie etwa bei Dämpfern)
- Kriechen (schleichende Verformung unter Langzeitbelastung z.B. in Rohrleitungen)

Diese Vorlesung gibt eine kurze Einführung in die theoretischen Grundlagen und mathematische Beschreibung der oben genannten Phänomene. In einer parallelen Übung werden diese anhand einfacher Berechnungsaufgaben vertieft. Dabei wird insbesondere erläutert, wie die oben genannten Phänomene in Computersimulationen modelliert werden können und wie man aus gegebenen Messdaten wichtige Materialparameter bestimmen kann.

Empfohlene Literatur / Recommended literature:
1) Dietmar Gross, Werner Hauger, Peter Wriggers, Technische Mechanik 4, Springer 2018, DOI: 10.1007/978-3-662-55694-8
2) Peter Haupt, Continuum Mechanics and Theory of Materials, Springer 2002, DOI: 10.1007/978-3-662-04775-0

1. Introduction
2. Motivation
3. Hierarchic shape functions
4. Mapping functions
5. Computation of element matrices, assembly, constraint enforcement and solution
6. Convergence characteristics
7. Mechanical models and finite elements for thin-walled structures
8. Computation of thin-walled structures
9. Error estimation and hp-adaptivity
10. High-order fictitious domain methods

[1] Alexander Düster, High-Order FEM, Lecture Notes, Technische Universität Hamburg-Harburg, 164 pages, 2014
[2] Barna Szabo, Ivo Babuska, Introduction to Finite Element Analysis – Formulation, Verification and Validation, John Wiley & Sons, 2011

1. Motivation
2. Basics of C++
3. Numerical integration
4. Solution of nonlinear problems
5. Solution of linear equation systems
6. Verification of numerical algorithms
7. Selected algorithms and data structures of a finite element code

[1] D. Yang, C++ and object-oriented numeric computing, Springer, 2001.
[2] K.-J. Bathe, Finite-Elemente-Methoden, Springer, 2002.

1. Motivation
2. Basics of dynamics
3. Time integration methods
4. Modal analysis
5. Fourier transform
6. Applications

[1] K.-J. Bathe, Finite-Elemente-Methoden, Springer, 2002.
[2] J.L. Humar, Dynamics of Structures, Taylor & Francis, 2012.

1. Einleitung
1.1 Bedeutung der Quantenmechanik (QM)
1.2 Einteilung von Festkörpern

2. Grundlagen der Quantenmechanik
2.1 Erinnerung : Elemente der Klassischen Mechanik
2.2 Motivation Quantenmechanik
2.3 Teilchen-Welle Dualismus
2.4 QM Formalismus

3. Grundlegende QM Probleme
3.1 Eindimensionale Probleme: Teilchen in einem Potenzial
3.2 System mit 2 Zuständen
3.3 Harmonische Oszillator
3.4 Elektronen in einem magnetischen Feld
3.5 Wasserstoffatom

4. Quanteneffekte in kondensierter Materie
4.1 Einleitung
4.2 Elektronische Zustände
4.3 Magnetismus
4.4 Supraleitung
4.5 Quanten-Hall-Effekt

Physik für Ingenieure, Hering/Martin/Stohrer, Springer

Atom- und Quantenphysik, Haken/Wolf, Springer

Grundkurs Theoretische Physik 5|1, Nolting, Springer

Electronic Structure of Materials, Sutton, Oxford

Materials Science and Engineering: An Introduction, Callister/Rethwisch, Edition 9, Wiley

Aktuelle Themen der Materialforschung auf dem Gebiet der metallischen Nanomaterialien.

Ausgehend von aktuellen Fachpublikationen erarbeiten die Studierenden unter Anleitung die wissenschaftlichen Grundlagen und stellen dazu die jeweils relevanten Arbeiten aus der Fachliteratur zusammen.

Based on current scientific publications, and under guidance, students work out the scientific fundamentals and compile the relevant works from the professional literature in each case.

Aktuelle Themen der Materialforschung auf dem Gebiet der Polymere, deren Verbundwerkstoffe und Nanomaterialien.

Based on current scientific publications, and under guidance, students work out the scientific fundamentals and compile the relevant works from the professional literature in each case.

Kontinuumsmechanik ist eine allgemeine Theorie, um das Verhalten kontinuierlicher Körper - seien sie fest, flüssig oder gasförmig - unter Einwirkung von Kräften zu beschreiben. Insbesondere behandelt sie die mathematische Beschreibung von Verzerrungen und Spannungen sowie des Materialverhaltens in kontinuierlichen Körpern. Das Modul Kontinuumsmechanik kann als eine Fortsetzung des Moduls Technische Mechanik II verstanden werden. Während sich das Modul Technische Mechanik II auf kleine Verformungen linearelastischer Körper mit sehr einfacher Geometrie beschränkt, erweitert das Modul Kontinuumsmechanik die Perspektive auf allgemeine Verformungen beliebiger Körper unter beliebigen Lasten. Der in der Vorlesung unterrichtete Stoff ist primär theoretisch, jedoch fundamental für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten wie etwa Fertigungs- und Umformtechnik, Automobilbau und Medizintechnik. Konkrete Inhalte sind:

• Grundlagen der Tensorrechnung
  • Transformationsinvarianz
  • Tensoralgebra
  • Tensoranalysis
    
• Kinematik
  • Bewegung eines Kontinuums
  • Verformung infinitesimaler Linien-, Flächen- und Volumenelemente
  • Materielle und räumliche Betrachtung
  • Polare Zerlegung
  • Spektrale Zerlegung
  • Objektivität
  • Verzerrungsmaße
  • Zeitableitungen
    • Partielle / materielle Zeitableitung
    • Objektive Zeitableitungen
      
    • Verzerrungs-und Deformationsraten
  • Transporttheoreme
    
• Bilanzgleichungen (globale und lokale Form)
  • Massenbilanz
  • Spannungszustand
    • Randspannunsvektoren
    • Cauchy'sches Fundametaltheorem
    • Spannungstensoren (Cauchy-, 1. und 2. Piola-Kirchhoff-, Kirchhoff-Spannunstensor)
  • Impulsbilanz
  • Drehimpulsbilanz
  • Energiebilanz
  • Entropiebilanz
  • Clausius-Duhem-Ungleichung
    
• Konstitutive Beziehungen
  
  • Konstitutive Annahmen
  • Fluide
  • Elastische Körper
    • Hyperelastizität
      
    • Materialsymmetrie
  • Elastoplastizität
    
• Analyse
  • Anfangsrandwertprobleme und deren numerische Lösung

R. Greve: Kontinuumsmechanik: Ein Grundkurs für Ingenieure und Physiker

I-S. Liu: Continuum Mechanics, Springer

R. Greve: Kontinuumsmechanik: Ein Grundkurs für Ingenieure und Physiker

I-S. Liu: Continuum Mechanics, Springer

1. Introduction
2. Nonlinear phenomena
3. Mathematical preliminaries
4. Basic equations of continuum mechanics
5. Spatial discretization with finite elements
6. Solution of nonlinear systems of equations
7. Solution of elastoplastic problems
8. Stability problems
9. Contact problems

[1] Alexander Düster, Nonlinear Structrual Analysis, Lecture Notes, Technische Universität Hamburg-Harburg, 2014.
[2] Peter Wriggers, Nonlinear Finite Element Methods, Springer 2008.
[3] Peter Wriggers, Nichtlineare Finite-Elemente-Methoden, Springer 2001.
[4] Javier Bonet and Richard D. Wood, Nonlinear Continuum Mechanics for Finite Element Analysis, Cambridge University Press, 2008.

In this lecture, students will delve into the advanced integration of machine learning techniques with physical systems. The lecture covers sophisticated topics, demonstrating how cutting-edge machine learning methodologies can be applied not only in general domains but are specifically tailored for complex physical systems. Core areas of study include:

- Advanced Data Management: How can domain knowledge relating to physical problems be integrated into the pre- and postprocessing of data?

- Transformer Architectures: Understanding the design and application of transformer models and large language models, focusing on their suitability to physical systems (e.g., Foundation models)

- Physics-Informed Neural Networks: Architectures for embedding physical laws into a neural network's loss function

- Constitutive Artificial Neural Networks: Architectures for embedding physical laws within a neural network's topology

- Feature selection and dimensionality reduction

- ML for Molecular Dynamics and Simulation

- Synthetic Data Generation, particularly its usage to augment physical experiments (which are often a bottleneck in data generation)

- Optimal Experimental Design: Techniques for efficiently gathering data through intelligently designed experiments.

- Process-Structure-Properties Pipelines: Exploring specialised microstructural descriptors such as Gram-matrices to connect structure to either process parameters or mechanical properties

This lecture is designed for those looking to understand and apply machine learning in the realm of physical systems, bridging the gap between abstract algorithms and real-world physical phenomena. The lecture is offered fully in English.

The exercise (PBL) demonstrates the methods introduced in the lecture on different example applications, focusing on gaining practical hands-on proficiency. By submitting correctly solved homework assignments, points can be earned for the module examination. Topics correspond to those presented at that time in the module's lecture.

Topics to be covered include:

1.    Introduction (Importance, nomenclature, relations)

2.    Biological materials

2.1  Basics (components, testing methods)

2.2  Bone (composition, development, properties, influencing factors)

2.3  Cartilage (composition, development, structure, properties, influencing factors)

2.4  Fluids (blood, synovial fluid)

3     Biological structures

3.1  Menisci of the knee joint

3.2  Intervertebral discs

3.3  Teeth

3.4  Ligaments

3.5  Tendons

3.6  Skin

3.7  Nervs

3.8  Muscles

4.    Replacement materials

4.1  Basics (history, requirements, norms)

4.2  Steel (alloys, properties, reaction of the body)

4.3  Titan (alloys, properties, reaction of the body)

4.4  Ceramics and glas (properties, reaction of the body)

4.5  Plastics (properties of PMMA, HDPE, PET, reaction of the body)

4.6  Natural replacement materials

Knowledge of composition, structure, properties, function and changes/adaptations of biological and technical materials (which are used for replacements in-vivo). Acquisition of basics for theses work in the area of biomechanics.

Hastings G and Ducheyne P.: Natural and living biomaterials. Boca Raton: CRC Press, 1984.

Williams D.: Definitions in biomaterials. Oxford: Elsevier, 1987.

Hastings G.: Mechanical properties of biomaterials: proceedings held at Keele University, September 1978. New York: Wiley, 1998.

Black J.: Orthopaedic biomaterials in research and practice. New York: Churchill Livingstone, 1988.

Park J.  Biomaterials: an introduction. New York: Plenum Press, 1980.

Wintermantel, E. und Ha, S.-W : Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen. Berlin, Springer, 1996.

• Introduction (historical view, scientific and economic relevance, scaling laws)
• Semiconductor Technology Basics, Lithography (wafer fabrication, photolithography, improving resolution, next-generation lithography, nano-imprinting, molecular imprinting)
• Deposition Techniques (thermal oxidation, epitaxy, electroplating, PVD techniques: evaporation and sputtering; CVD techniques: APCVD, LPCVD, PECVD and LECVD; screen printing)
• Etching and Bulk Micromachining (definitions, wet chemical etching, isotropic etch with HNA, electrochemical etching, anisotropic etching with KOH/TMAH: theory, corner undercutting, measures for compensation and etch-stop techniques; plasma processes, dry etching: back sputtering, plasma etching, RIE, Bosch process, cryo process, XeF2 etching)
• Surface Micromachining and alternative Techniques (sacrificial etching, film stress, stiction: theory and counter measures; Origami microstructures, Epi-Poly, porous silicon, SOI, SCREAM process, LIGA, SU8, rapid prototyping)
• Thermal and Radiation Sensors (temperature measurement, self-generating sensors: Seebeck effect and thermopile; modulating sensors: thermo resistor, Pt-100, spreading resistance sensor, pn junction, NTC and PTC; thermal anemometer, mass flow sensor, photometry, radiometry, IR sensor: thermopile and bolometer)
• Mechanical Sensors (strain based and stress based principle, capacitive readout, piezoresistivity,  pressure sensor: piezoresistive, capacitive and fabrication process; accelerometer: piezoresistive, piezoelectric and capacitive; angular rate sensor: operating principle and fabrication process)
• Magnetic Sensors (galvanomagnetic sensors: spinning current Hall sensor and magneto-transistor; magnetoresistive sensors: magneto resistance, AMR and GMR, fluxgate magnetometer)
• Chemical and Bio Sensors (thermal gas sensors: pellistor and thermal conductivity sensor; metal oxide semiconductor gas sensor, organic semiconductor gas sensor, Lambda probe, MOSFET gas sensor, pH-FET, SAW sensor, principle of biosensor, Clark electrode, enzyme electrode, DNA chip)
• Micro Actuators, Microfluidics and TAS (drives: thermal, electrostatic, piezo electric and electromagnetic; light modulators, DMD, adaptive optics, microscanner, microvalves: passive and active, micropumps, valveless micropump, electrokinetic micropumps, micromixer, filter, inkjet printhead, microdispenser, microfluidic switching elements, microreactor, lab-on-a-chip, microanalytics)
• MEMS in medical Engineering (wireless energy and data transmission, smart pill, implantable drug delivery system, stimulators: microelectrodes, cochlear and retinal implant; implantable pressure sensors, intelligent osteosynthesis, implant for spinal cord regeneration)
• Design, Simulation, Test (development and design flows, bottom-up approach, top-down approach, testability, modelling: multiphysics, FEM and equivalent circuit simulation; reliability test, physics-of-failure, Arrhenius equation, bath-tub relationship)
• System Integration (monolithic and hybrid integration, assembly and packaging, dicing, electrical contact: wire bonding, TAB and flip chip bonding; packages, chip-on-board, wafer-level-package, 3D integration, wafer bonding: anodic bonding and silicon fusion bonding; micro electroplating, 3D-MID)

M. Madou: Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, 2002

N. Schwesinger: Lehrbuch Mikrosystemtechnik, Oldenbourg Verlag, 2009

T. M. Adams, R. A. Layton:Introductory MEMS, Springer, 2010

G. Gerlach; W. Dötzel: Introduction to microsystem technology, Wiley, 2008

Contents

1. INTRODUCTION (meaning, aim, basics, general history of the artificial joint replacement)

2. FUNCTIONAL ANALYSIS (The human gait, human work, sports activity)

3. THE HIP JOINT (anatomy, biomechanics, joint replacement of the shaft side and the socket side, evolution of implants)

4. THE KNEE JOINT (anatomy, biomechanics, ligament replacement, joint replacement femoral, tibial and patellar components)

5. THE FOOT (anatomy, biomechanics, joint replacement, orthopedic procedures)

6. THE SHOULDER (anatomy, biomechanics, joint replacement)

7. THE ELBOW (anatomy, biomechanics, joint replacement)

8. THE HAND (anatomy, biomechanics, joint replacement)

9. TRIBOLOGY OF NATURAL AND ARTIFICIAL JOINTS (corrosion, friction, wear)

Kapandji, I..: Funktionelle Anatomie der Gelenke (Band 1-4), Enke Verlag, Stuttgart, 1984.

Nigg, B., Herzog, W.: Biomechanics of the musculo-skeletal system, John Wiley&Sons, New York 1994

Nordin, M., Frankel, V.: Basic Biomechanics of the Musculoskeletal System, Lea&Febiger, Philadelphia, 1989.

Czichos, H.: Tribologiehandbuch, Vieweg, Wiesbaden, 2003.

Sobotta und Netter für Anatomie der Gelenke

Nature hierarchical materials are omnipresent in the world around us, being fundamental for both the plants and animal kingdoms. Nature engineering is quite impressive since nature uses only a small variety of building blocks (minerals, proteins and sugar) and yet, is capable of producing an incredible large number of structures with different functions, i.e. multifunctional materials. This is one of the reasons why materials science and engineering research on bioinspiration or biomimicry has been increasing significantly over the past 20 years. Moreover, the scientists and engineers have one major advantage over nature: they can combine bioinspiration with a wide variety of other building blocks (metals, ceramics, polymers and derived composites). The main goal of this seminar series is to provide an introduction about the state of the art on bioinspired materials from an engineering point of view, while providing students opportunities to develop skills relevant to their master thesis work such as proper literature search, systematic literature review, presentation preparation and presentation - all connected to the main topic of Nature hierarchical materials.

.

Peter Fratzl and Richard Weinkamer. Nature’s hierarchical materials. Progress in Materials Science 52 (2007) 1263-1334

Journal publications

• Mikroskopische Struktur und Thermodynamik von Phasengrenzflächen (gas/fest, gas/flüssig, flüssig/flüssig, flüssig/fest)
• Experimentelle Methoden zur Untersuchung von Grenzflächen
  
• Grenzflächenkräfte
• Benetzung
• Surfactants, Schäume, Biomembranen
• Chemische Funktionalisierung von Grenzflächen
  

"Physics and Chemistry of Interfaces", K.H. Butt, K. Graf, M. Kappl, Wiley-VCH Weinheim (2006)

"Interfacial Science", G.T. Barnes, I.R. Gentle, Oxford University Press (2005)

Prepare, present, and discuss talks about recent topics from the field of semiconductors. The presentations must be given in English.

Evaluation Criteria:

• understanding of subject, discussion, response to questions
• structure and logic of presentation (clarity, precision)
• coverage of the topic, selection of subjects presented
• linguistic presentation (clarity, comprehensibility)
• visual presentation (clarity, comprehensibility)
• handout (see below)
• compliance with timing requirement.

Handout:
Before your presentation, it is mandatory to distribute a printed
handout (short abstract) of your presentation in English language. This must be no
longer than two pages A4, and include the most important results,
conclusions, explanations and diagrams.

Aktuelle Veröffentlichungen zu dem gewählten Thema

• Introduction to optics
• Electromagnetic theory of light
• Interference
• Coherence
• Diffraction
• Fourier optics
• Polarisation and Crystal optics
• Matrix formalism
• Reflection and transmission
• Complex refractive index
• Dispersion
• Modulation and switching of light

Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley 2007 
Hecht, E., Optics, Benjamin Cummings, 2001
Goodman, J.W. Statistical Optics, Wiley, 2000
Lauterborn, W., Kurz, T., Coherent Optics: Fundamentals and Applications, Springer, 2002

see lecture Optoelectronics 1 - Wave Optics

1. Einleitung
1.1 Bedeutung der Quantenmechanik (QM)
1.2 Einteilung von Festkörpern

2. Grundlagen der Quantenmechanik
2.1 Erinnerung : Elemente der Klassischen Mechanik
2.2 Motivation Quantenmechanik
2.3 Teilchen-Welle Dualismus
2.4 QM Formalismus

3. Grundlegende QM Probleme
3.1 Eindimensionale Probleme: Teilchen in einem Potenzial
3.2 System mit 2 Zuständen
3.3 Harmonische Oszillator
3.4 Elektronen in einem magnetischen Feld
3.5 Wasserstoffatom

4. Quanteneffekte in kondensierter Materie
4.1 Einleitung
4.2 Elektronische Zustände
4.3 Magnetismus
4.4 Supraleitung
4.5 Quanten-Hall-Effekt

Physik für Ingenieure, Hering/Martin/Stohrer, Springer

Atom- und Quantenphysik, Haken/Wolf, Springer

Grundkurs Theoretische Physik 5|1, Nolting, Springer

Electronic Structure of Materials, Sutton, Oxford

Materials Science and Engineering: An Introduction, Callister/Rethwisch, Edition 9, Wiley

In this module, you will learn the fundamentals of soft electronics and their application in innovative technologies such as wearables, health monitoring, and flexible displays. You will gain insight into the material properties of electrically conductive polymers and how to use them for flexible devices. Additionally, you will be introduced to the design principles of organic transistors (OFETs and OECTs) and explore the challenges in developing soft electronics. By the end of the module, you will be able to develop your own solutions for practical problems in this exciting field and reflect on the societal relevance of these technologies.

The module follows a Problem-Based Learning (PBL) format, where you will work in groups on a specific problem (e.g., a soft, stretchable sensor for health monitoring). In an asynchronous online seminar, you will receive feedback and guidance. At the end, you will present your results in a presentation, which also serves as the final exam.

Overview Lecture: Wearable Electronics - Theoretical Foundations

Part 1: Introduction
Overview of soft polymer electronics and their significance (wearables, health monitoring, flexible displays, robotics); introduction to organic electronics and the role of OFETs and OECTs. Introduction to the problem-based learning format.

Part 2: Material Properties
Electrically conductive polymers: properties, types, and processing; mechanical properties: elasticity, fracture strain, and criteria for selecting materials for flexible devices; trade-offs between conductivity and flexibility.

Part 3: Device Design
Structure and functionality of OFETs and OECTs; design challenges: contact formation, stability, and interaction with soft materials; integration of soft sensors into systems.

Part 4: Challenges and Applications
Scalability and production of soft electronics; environmental issues: recycling and lifespan of polymers; future applications and trends.

In this module, you will learn the fundamentals of soft electronics and their application in innovative technologies such as wearables, health monitoring, and flexible displays. You will gain insight into the material properties of electrically conductive polymers and how to use them for flexible devices. Additionally, you will be introduced to the design principles of organic transistors (OFETs and OECTs) and explore the challenges in developing soft electronics. By the end of the module, you will be able to develop your own solutions for practical problems in this exciting field and reflect on the societal relevance of these technologies.

The module follows a Problem-Based Learning (PBL) format, where you will work in groups on a specific problem (e.g., a soft, stretchable sensor for health monitoring). In an asynchronous online seminar, you will receive feedback and guidance. At the end, you will present your results in a presentation, which also serves as the final exam.

Overview Lecture: Wearable Electronics - Theoretical Foundations

Part 1: Introduction
Overview of soft polymer electronics and their significance (wearables, health monitoring, flexible displays, robotics); introduction to organic electronics and the role of OFETs and OECTs. Introduction to the problem-based learning format.

Part 2: Material Properties
Electrically conductive polymers: properties, types, and processing; mechanical properties: elasticity, fracture strain, and criteria for selecting materials for flexible devices; trade-offs between conductivity and flexibility.

Part 3: Device Design
Structure and functionality of OFETs and OECTs; design challenges: contact formation, stability, and interaction with soft materials; integration of soft sensors into systems.

Part 4: Challenges and Applications
Scalability and production of soft electronics; environmental issues: recycling and lifespan of polymers; future applications and trends.

This lecture covers the fundamentals magnetic resonance imaging (MRI) and magnetic resonance spectroscopy (NMR). It focuses on the following topics:

1. The fundamentals of magnetic resonance: magnetism, magnetic fields, radiofrequency, spin, relaxation
2. Hardware for magnetic resonance: magnets (high-field and low-field), radiofrequency coil design, magnetic field gradients
3. NMR-Spectroscopy: chemical shift, J-Coupling, 2D NMR, solid-state, MAS
4. Relaxometry: single-sided NMR, contrasts,
5. Magnetic resonance imaging (MRI): gradients, coils, k-space, imaging sequences, ultrafast Imaging, parallel imaging, velocimetry, CEST
6. Hyperpolarization techniques: DNP, p-H2, optical pumping with Xe
7. Applications of magnetic resonance in chemical engineering
8. Applications of magnetic resonance in material science and engineering
9. Applications of magnetic resonance in biomedical engineering    

Stapf, S., & Han, S. (2006). NMR imaging in chemical engineering. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN: 978-3-527-60719-8

Blümich B., (2003) NMR imaging of materials. Oxford University Press, Online- ISBN: 9780191709524 , doi: https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198526766.001.0001

Brown R. W., Cheng Y. N., Haacke E. M., Thompson M. R., Venkatesan R., (2014) Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., doi: 10.1002/9781118633953

Haber-Pohlmeier, Sabina, Bernhard Blumich, and Luisa Ciobanu, (2022) Magnetic Resonance Microscopy: Instrumentation and Applications in Engineering, Life Science, and Energy Research. John Wiley & Sons

In this course, the theoretical basics of magnetic resonance spectroscopy and magnetic resonance tomography are supplemented with practical experiments on the respective devices. The practical handling and operation of the equipment will be learned. 

Stapf, S., & Han, S. (2006). NMR imaging in chemical engineering. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN: 978-3-527-60719-8 

Blümich B., (2003) NMR imaging of materials. Oxford University Press, Online- ISBN: 9780191709524, doi: https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198526766.001.0001

Brown R. W., Cheng Y. N., Haacke E. M., Thompson M. R., Venkatesan R., (2014) Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., doi: 10.1002/9781118633953

Aktuelle Themen der Materialforschung auf dem Gebiet der metallischen Nanomaterialien.

Ausgehend von aktuellen Fachpublikationen erarbeiten die Studierenden unter Anleitung die wissenschaftlichen Grundlagen und stellen dazu die jeweils relevanten Arbeiten aus der Fachliteratur zusammen.

Based on current scientific publications, and under guidance, students work out the scientific fundamentals and compile the relevant works from the professional literature in each case.

Aktuelle Themen der Materialforschung auf dem Gebiet der Polymere, deren Verbundwerkstoffe und Nanomaterialien.

Based on current scientific publications, and under guidance, students work out the scientific fundamentals and compile the relevant works from the professional literature in each case.

• Generation of light
• Photons
• Thermal and nonthermal light
• Laser amplifier
• Noise
• Optical resonators
• Spectral properties of laser light
  
• CW-lasers (gas, solid state, semiconductor)
• Pulsed lasers

Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley 2007
Demtröder, W., Laser Spectroscopy: Basic Concepts and Instrumentation, Springer, 2002
Kasap, S.O., Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices, Prentice Hall, 2001
Yariv, A., Quantum Electronics, Wiley, 1988
Wilson, J., Hawkes, J., Optoelectronics: An Introduction, Prentice Hall, 1997, ISBN: 013103961X
Siegman, A.E., Lasers, University Science Books, 1986

see lecture Optoelectronics 1 - Wave Optics

• Übung in Form von "Project based Learning": selbstständiges Lösen von Problemstellungen der Feststoffverfahrenstechnik
  
• Kontaktkräfte, interpartikuläre Kräfte
• vertiefte Behandlung von Kornzerkleinerung
• CFD Methoden zur Beschreibung von Fluid/Feststoffströmungen, Euler/Euler-Methode, Discrete Particle Modeling
• Behandlung von Problemen mit verteilten Stoffeigenschaften, Lösung von Populationsbilanzen
• Fließschemasimulation von Feststoffprozessen
  

Schubert, H.; Heidenreich, E.; Liepe, F.; Neeße, T.: Mechanische Verfahrenstechnik. Deutscher Verlag für die Grundstoffindustrie, Leipzig, 1990.

Stieß, M.: Mechanische Verfahrenstechnik I und II. Springer Verlag, Berlin, 1992.

• Fluidisation
• Agglomeration
• Granulation
• Trocknung
• Bestimmung der mechanische Eigenschaften von Agglomeraten

Schubert, H.; Heidenreich, E.; Liepe, F.; Neeße, T.: Mechanische Verfahrenstechnik. Deutscher Verlag für die Grundstoffindustrie, Leipzig, 1990.

Stieß, M.: Mechanische Verfahrenstechnik I und II. Springer Verlag, Berlin, 1992.