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Modellbildung und Entwicklung experimenteller Methoden zur Vorhersage des Auftretens von Kavitationserosion bei metallischen Werkstoffen

Modellbildung und Entwicklung experimenteller Methoden zur Vorhersage des Auftretens von Kavitationserosion bei metallischen Werkstoffen von Uhrig,  Matthias Pascal
Kurzfassung Kollabierende Kavitationsblasen emittieren Stoßwellen, welche zunächst lokale plastische Verformungen (≙ Pits) einer metallischen Werkstoffoberfläche verursachen und schließlich deren Erosion herbeiführen. Bisher existiert keine Methode zur verlässlichen Bestimmung jener hochdynamischen Druckstoßereignisse, so dass das erosive Potential von kavitierenden Strömungen noch nicht vollständig verstanden ist. Erstmals erfolgt im Rahmen dieser Arbeit eine Quantifizierung der vorherrschenden Kavitationsbelastung durch die Verwendung von laserinduzierten Stoßwellen, wie sie vom Laser-Schockhärten (engl. laser shock peening) bekannt sind. Hierbei werden in den durchgeführten experimentellen Untersuchungen 15 verschiedene metallische Werkstoffe bzw. Wärmebehandlungszustände betrachtet. Mit Laserstoßwellenversuchen ergeben sich die Druck-Schwellenwerte für plastische Verformung unter Stoßbelastung sowie Zusammenhänge zwischen Pitgeometrien und verursachenden Belastungsereignissen. Basierend auf diesen Erkenntnissen gelingt es, über in Kavitations-Kurzzeitversuchen induzierte Pits, die betriebspunktspezifischen Kavitationsintensitäten eines Strahlkavitationsprüfstands abzuleiten. In Kavitations-Langzeitversuchen auf einem Strahlkavitations- und einem Schwingungskavitationsprüfstand erfolgt die Bestimmung der intensitätsabhängigen Belastungsdauern bis zum beginnenden Werkstoffversagen sowie begleitend eine systematische Analyse der Schädigungsentwicklung. Ein energetischer Modellansatz setzt die erkannten Eingangsgrößen in Beziehung. Letztlich resultiert aus der Kombination von relevanter Kavitationsintensität und der gemessenen Versagensdauer ein materialspezifischer Wert für die Vorhersage der Kavitationserosion. Abstract Collapsing cavitation bubbles emit shock waves, which initially result in local plastic deformations (≙ pits) of a metallic material surface and ultimately in its erosion. So far, none of the existing methods reliably measures these highly transient pressure shocks and hence the erosive potential of cavitating flows is not fully understood. For the first time, this work quantitatively assesses cavitation loading by the usage of laser-induced shock waves, as they are known from laser shock peening. In doing so, 15 different metallic materials or heat treatment conditions are considered within the conducted experimental investigations. Laser shock wave tests reveal the pressure threshold values for plastic deformation under shock loading as well as correlations between pit geometries and causing load events. Based on these findings, it succeeds to derive the operating-point-specific cavitation intensity of a cavitating jet apparatus from pits induced during cavitation short-term tests. In cavitation long-term tests on both a cavitating jet and a vibratory apparatus the intensity-dependent loading durations until incipient material failure are determined and, in addition, the damage evolution is systematically analyzed. An energetic modeling approach correlates the identified input values. Finally, the combined consideration of relevant cavitation intensity and measured failure time yields a material-specific value for cavitation erosion prediction.
Aktualisiert: 2021-09-23
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Prozessrahmenwerk zur agilen und modellbasierten Produktentwicklung in der frühen Phase

Prozessrahmenwerk zur agilen und modellbasierten Produktentwicklung in der frühen Phase von Cadet,  Marcel
Schon seit jeher befindet sich der Maschinenbau und die Fahrzeugindustrie in einem stetigen Wandlungsprozess, der sich seit mehreren Jahren noch weiter beschleunigt hat. Rein mechanische Produkte haben sich zu stark vernetzten cyberphysischen bzw. cybertronischen Produkten weiterentwickelt. Neben der Veränderung der Produkte selbst, ist auch eine Weiterentwicklung der Randbedingungen in der Produktentwicklung, wie z. B. des Umfeldes, der Vorgehensweisen in der Entwicklung oder bei den Entwicklungswerkzeugen, zu beobachten. Der Wandel der Produkte und der Rahmenbedingungen impliziert auch einen Wandel des Produktentwicklungsprozesses. Wie der Begriff Produktentwicklungsprozess schon erahnen lässt, umfasst er zwei verschiedene Aspekte. Zum einen die Beschreibung des zu entwickelnden Produktes mit seinen über den Produktentstehungsprozess stetig ansteigenden Entwicklungsartefakten, wie z. B. Anforderungen, Funktionen, Bauteile, etc. und zum anderen die Beschreibung des Prozesses, also eine Vorgehensweise, wie das Produkt entwickelt werden soll. Aus diesem Grund leistet diese Dissertation einen Beitrag zu einem neuartigen Produktentwicklungsprozess in der frühen Phase der Entwicklung, der den aktuellen und zukünftigen Herausforderungen gerecht werden kann und betrachtet gleichzeitig die eigentliche Produktentwicklung sowie die dazugehörigen Entwicklungsprozesse. Um konkrete Ansätze für einen Produktentwicklungsprozess der Zukunft zu identifizieren, werden die Produktentwicklung und die damit verbundenen Prozesse aus den Disziplinen Maschinenbau und Fahrzeugtechnik, der Elektrotechnik, der Informationstechnik und disziplinübergreifenden Branchen auf Veränderungen durch aktuelle Megatrends abgeglichen und kritisch hinterfragt, um konkrete Ansätze für einen Produktentwicklungsprozess der Zukunft zu identifizieren. Das Ergebnis ist ein umfassendes Prozessrahmenwerk zur agilen und modellbasierten Produktentwicklung in der frühen Phase im Maschinenbau und der Fahrzeugtechnik, das anhand eines Beispiels aus der Fahrzeugindustrie validiert wird.
Aktualisiert: 2021-09-23
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Von der Idee zur industriellen Produktion von Parkhausdeckenplatten mit Carbonbeton

Von der Idee zur industriellen Produktion von Parkhausdeckenplatten mit Carbonbeton von Heppes,  Oliver
Um eine Parkhausdeckenplatte mit Carbonbeton wirtschaftlich zu dimensionieren, werden in dieser Dissertation aus einer Datenbasis von mehr als 400 vom Unternehmen Goldbeck beauftragten Versuche mehr als 100 in einem Versuchskonzept vorgestellt, beschrieben und ausgewertet. Es werden Materialfestigkeiten für die Carbonbewehrung aus Kurzzeit- und Dauerstandversuchen abgeleitet und Teilsicherheitsbeiwerte bestimmt, aus denen ein Bemessungsmodell für die Biegetragfähigkeit hervorgeht. Zudem werden mit statistischen Auswerteverfahren das Vorgehen zur Bestimmung der Bauteilwiderstände für die Biege- und Querkrafttragfähigkeit sowie Durchstanzen infolge Radlast für das Deckenbauteil als Systembauteil beschrieben. Versuchsplanung, -durchführung und -auswertung wurden vom Autor eigenverantwortlich im Namen von Goldbeck durchgeführt.
Aktualisiert: 2021-09-23
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Potentialanalyse eines nichtinvasiven Sensorkonzepts zur Füllstandüberwachung bei mobilen Schüttgutsilos

Potentialanalyse eines nichtinvasiven Sensorkonzepts zur Füllstandüberwachung bei mobilen Schüttgutsilos von Sivasothy,  Paaranan
Gängige Füllstandmesssysteme für mobile Schüttgutsilos werden i. d. R. invasiv an der Innenseite des Behälters angebracht. Hierdurch sind die Sensoren abrasiven Mechanismen und einem entsprechend hohen Verschleiß ausgesetzt. Dies führt zu einer geringen Wirtschaftlichkeit der bisherigen Füllstandüberwachung von mobilen Schüttgutsilos. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Umsetzbarkeit eines alternativen, nichtinvasiven Sensorkonzeptes untersucht, welches auf der Auswertung der füllstandabhängigen Impulsantwort der Silos basiert. Hierzu werden anhand einer analytischen Modellierung des Messsystems die potentiellen Einflussgrößen des Sensorkonzeptes identifiziert. Anschließend werden die potentiellen Einflussgrößen im Rahmen numerischer Untersuchuchungen (FEM/DEM) näher analysiert und bewertet.
Aktualisiert: 2021-09-23
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Zur Bemessung von Sandwichwänden aus Stahlbeton bei Berücksichtigung der Tragwirkung der Vorsatzschale

Zur Bemessung von Sandwichwänden aus Stahlbeton bei Berücksichtigung der Tragwirkung der Vorsatzschale von Pavis d'Escurac,  Arnaud
Kurzfassung Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der analytischen, integralen und nichtlinearen Bemessung von Sandwichwänden mit Stahlbetonschalen unter vertikaler und horizontaler Belastung nach Theorie II. Ordnung und führt zu der Entwicklung eines in der Programmiersprache VBA implementierten Bemessungsprogramms: TiToU. Das Fundament für den Aufbau dieses Bemessungsprogramms für Sandwichwände bildet ein eigenes nichtlineares Bemessungsverfahren für Stahlbetondruckglieder, das auf einer bilinearen Approximation der Spannungs-Dehnungs-Linie des Betons beruht und dessen Sicherheitsniveau den Standards der DIN EN 1990 entspricht. Dieses Bemessungsverfahren ist in einem Subprogramm von TiToU implementiert und bestimmt für jede Schnittgrößenkonstellation in einer Stahlbetonschale den entsprechenden Dehnungszustand in ihrem Querschnitt. Die Nichtlinearitäten aufgrund der Beton- und Bewehrungseigenschaften sowie der Rissbildung werden berücksichtigt und führen zu nichtlinearen Gleichungssystemen, deren Lösung nicht geschlossen, sondern algorithmisch mit dem mehrdimensionalen Newton-Verfahren erfolgt. Des Weiteren erfordert die integrale Bemessung von Sandwichwänden die Herleitung eines Ansatzes zur Berücksichtigung der Wirkungslinie der Normalkraft in die Tragschale und der aufgrund ihrer Exzentrizität induzierten Biegebeanspruchung. Dieser analytisch hergeleitete Ansatz beschreibt die Aktivierung der Vorsatzschale, d. h. den Krafttransfer zwischen der Tragschale und der Vorsatzschale über die Sandwichwandhöhe. Die Differentialgleichung, die das physikalische Verhalten einer Sandwichwand unter Normalkraft- und Biegebeanspruchung wiedergibt, wird analytisch mit Exponentialansätzen vom Programm TiToU gelöst. Zum ersten Mal wird u. a. folgende physikalische Besonderheit erkannt und nachgewiesen: Vergleicht man zwei Sandwichwände unter vertikaler Last, die sich lediglich durch ihre Kernschichtschubsteifigkeit unterscheiden, weist bei niedrigen Lastniveaus diejenige mit der niedrigeren Kernschichtschubsteifigkeit das kleinere Verformungsniveau auf, während oberhalb einer gewissen Last diejenige mit der größten Kernschichtschubsteifigkeit das kleinste Verformungsniveau erfährt. Dies bringt zwei Anschauungsweisen des gleichen physikalischen Problems in Einklang beziehungsweise ordnet diese zwei getrennten Lastbereichen zu. Diese Arbeit beinhaltet eine theoretische Parameterstudie, in der der Einfluss der Schlankheit, der Lastexzentrizität, der Kernschichtdicke und der Kernschichtschubsteifigkeit untersucht wird, und bei der alle möglichen Versagensarten rechnerisch Berücksichtigung finden. Die Bestätigung der Modelle erfolgt durch großformatige Bauteilversuche, die im Labor für konstruktiven Ingenieurbau der TU Kaiserslautern durchgeführt wurden. Schließlich werden im Rahmen eines Bemessungsbeispiels die aktuell nach Norm gültige Bemessungsmethode, die nur die Tragschale berücksichtigt, und das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Bemessungskonzept, das den stabilisierenden Einfluss der Vorsatzschale und der Kernschicht auf das Tragverhalten der Tragschale unter kombinierter Biege- und Normalkraftbeanspruchung berücksichtigt, verglichen. Hierbei wird ersichtlich, dass ein gemäß dem Standard von DIN EN 1992-1-1 gefordertes Sicherheitsniveau mit dem hier dargestellten Bemessungskonzept mit dünneren Querschnittsabmessungen eingehalten werden kann.
Aktualisiert: 2021-09-23
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#Sport #Gesundheit #Digital

#Sport #Gesundheit #Digital von Sprenger,  Max
In ihrem 50. Jubiläumsjahr lud die Technische Universität Kaiserslautern am 26. und 27. November 2020 zu einem Höhepunkt ein: dem Kongress #Sport #Gesundheit #Digital. Für zwei Tage wurden im Rahmen eines Online-Forums gemeinsam die Themenfelder Sport, Gesundheit und Digitalisierung diskutiert. Wir freuen uns sehr, dass die Techniker Krankenkasse die TUK als Ausrichter der Veranstaltung besonders unterstützt hat. #SGD – Der Kongress setzte an der Schnittstelle von Sport, Gesundheit und Digitalisierung an und beleuchtete Chancen und Möglichkeiten, die durch das Zusammenspiel dieser Disziplinen entstehen können. Gleichzeitig wurden Risiken und Herausforderungen der digitalen Entwicklungen in Sport und Gesundheit betrachtet und perspektivisch mit Blick in die Zukunft analysiert. Hochkarätige Beiträge aus Wissenschaft und Praxis aus allen für das Themenspektrum relevanten Fachrichtungen sorgten für ein hohes Maß an Abwechslung und Transfer. Der Kongress richtete sich dabei nicht nur an Personen aus Wissenschaft und Praxis der Bereiche Gesundheitswesen und -management, Medizin und Psychologie. Ebenso angesprochen wurden Übungsleitende und Angehörige aus Hochschulsport und Sportwissenschaft, Studierende und Mitarbeitende aller bezogenen Fachrichtungen sowie alle allgemein interessierten Personen. Der vorliegende Kongressband stellt die Sammlung der Kongressinhalte dar. Neben den schriftlichen Beiträgen lassen sich hier auch Impressionen der Kongresstage und die Vorträge als interaktiv eingebundene Videos finden.
Aktualisiert: 2021-08-27
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Auftretenshäufigkeit nichtmetallischer Einschlüsse in Stählen

Auftretenshäufigkeit nichtmetallischer Einschlüsse in Stählen von Angst,  Marcel
II Kurzfassung Seltene große nichtmetallische Einschlüsse in Einsatz- und Vergütungsstählen für hochbeanspruchte Komponenten des Common-Rail-Systems in Dieselmotoren haben einen signifikanten Einfluss auf die zyklische Werkstoffbeanspruchbarkeit. Bisherige Prüfmethoden zur Ermittlung des Reinheitsgrads konnten diesen kritischen Größenbereich statistisch nicht erfassen, sodass hierfür keine Referenzdaten zur Einschlussgrößenverteilung verfügbar sind. Daher sind bislang keine Aussagen bezüglich Werkstoffbeanspruchbarkeit und Bauteillebensdauer auf Basis der Einschlussgrößenverteilung möglich. In dieser Arbeit konnten die Prüfparameter der Ultraschall-Tauchtechnik werkstoffspezifisch derart an die verwendeten Einsatz- und Vergütungsstähle angepasst werden, dass der mesoskopische Reinheitsgrad ermittelt und Einflussfaktoren des Stahlherstellungsprozesses untersucht werden konnten. Die vorgestellten erweiterten Auswertungsmethoden auf Basis der Ultraschall-Tauchtechnik ermöglichen unter anderem eine zuverlässige Absenkung der Detektionsgrenze bis hin zum mikroskopischen Reinheitsgrad und die Ableitung einer Fehlstellenstatistik für mesoskopische Einschlüsse. Die Gegenüberstellung der Fehlstellenstatistiken zeigt quantitativ, dass eine Extrapolation des mikroskopischen zum mesoskopischen Reinheitsgrad auch mit Extremwertstatistik nicht möglich ist. Die in diesem Projekt ermittelte Fehlstellenstatistik zu seltenen mesoskopischen nichtmetallischen Einschlüssen kann als Datenbasis für geeignete Werkstoffmodelle zur Vorhersage der Bauteillebensdauer genutzt werden. III Abstract The presence of rare and large nonmetallic inclusions in case hardening and tempered steel can significantly influence the fatigue strength of highly loaded components of the common rail system in diesel engines. State of the art testing methods of material cleanliness could not assess this critical size range sufficiently. Thus, no comprehensive database for cleanliness or size distribution for the mentioned steel grades and size range is available. Without this database, it is not possible to determine the fatigue strength of common rail system components due to rare nonmetallic inclusions. Depending on the considered steel grade, the parameters of ultrasonic immersion testing could be adjusted to determine the mesoscopic cleanliness and investigate the influencing factors during steel production. Due to extended evaluation methods based on ultrasonic immersion testing, the detection limit can be reliably decreased to microscopic cleanliness, which allows the determination of the size distribution of the mesoscopic inclusions. The quantitative comparison of size distributions of microscopic and mesoscopic inclusions leads to the conclusions, that even with help of statistics of extreme, it is not possible to extrapolate from microscopic cleanliness to mesoscopic cleanliness. The determined defect size distribution can now be used as an input data for defect models to estimate the fatigue strength of components for the common rail system due to rare mesoscopic nonmetallic inclusions.
Aktualisiert: 2021-08-27
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Optimierung der Energieeffizienz von Kettenspannsystemen

Optimierung der Energieeffizienz von Kettenspannsystemen von Zimmermann,  Florian
II Kurzfassung Seltene große nichtmetallische Einschlüsse in Einsatz- und Vergütungsstählen für hochbeanspruchte Komponenten des Common-Rail-Systems in Dieselmotoren haben einen signifikanten Einfluss auf die zyklische Werkstoffbeanspruchbarkeit. Bisherige Prüfmethoden zur Ermittlung des Reinheitsgrads konnten diesen kritischen Größenbereich statistisch nicht erfassen, sodass hierfür keine Referenzdaten zur Einschlussgrößenverteilung verfügbar sind. Daher sind bislang keine Aussagen bezüglich Werkstoffbeanspruchbarkeit und Bauteillebensdauer auf Basis der Einschlussgrößenverteilung möglich. In dieser Arbeit konnten die Prüfparameter der Ultraschall-Tauchtechnik werkstoffspezifisch derart an die verwendeten Einsatz- und Vergütungsstähle angepasst werden, dass der mesoskopische Reinheitsgrad ermittelt und Einflussfaktoren des Stahlherstellungsprozesses untersucht werden konnten. Die vorgestellten erweiterten Auswertungsmethoden auf Basis der Ultraschall-Tauchtechnik ermöglichen unter anderem eine zuverlässige Absenkung der Detektionsgrenze bis hin zum mikroskopischen Reinheitsgrad und die Ableitung einer Fehlstellenstatistik für mesoskopische Einschlüsse. Die Gegenüberstellung der Fehlstellenstatistiken zeigt quantitativ, dass eine Extrapolation des mikroskopischen zum mesoskopischen Reinheitsgrad auch mit Extremwertstatistik nicht möglich ist. Die in diesem Projekt ermittelte Fehlstellenstatistik zu seltenen mesoskopischen nichtmetallischen Einschlüssen kann als Datenbasis für geeignete Werkstoffmodelle zur Vorhersage der Bauteillebensdauer genutzt werden. III Abstract The presence of rare and large nonmetallic inclusions in case hardening and tempered steel can significantly influence the fatigue strength of highly loaded components of the common rail system in diesel engines. State of the art testing methods of material cleanliness could not assess this critical size range sufficiently. Thus, no comprehensive database for cleanliness or size distribution for the mentioned steel grades and size range is available. Without this database, it is not possible to determine the fatigue strength of common rail system components due to rare nonmetallic inclusions. Depending on the considered steel grade, the parameters of ultrasonic immersion testing could be adjusted to determine the mesoscopic cleanliness and investigate the influencing factors during steel production. Due to extended evaluation methods based on ultrasonic immersion testing, the detection limit can be reliably decreased to microscopic cleanliness, which allows the determination of the size distribution of the mesoscopic inclusions. The quantitative comparison of size distributions of microscopic and mesoscopic inclusions leads to the conclusions, that even with help of statistics of extreme, it is not possible to extrapolate from microscopic cleanliness to mesoscopic cleanliness. The determined defect size distribution can now be used as an input data for defect models to estimate the fatigue strength of components for the common rail system due to rare mesoscopic nonmetallic inclusions.
Aktualisiert: 2021-08-27
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Untersuchungen zu Leitungsdurchführungen durch Holzteile im Brandfall

Untersuchungen zu Leitungsdurchführungen durch Holzteile im Brandfall von Scherer,  Thomas
Leitungsabschottungen im Holzbau werden derzeit mit einer Behelfslösung ausgeführt. Eine auf den Holzbau angepasste Lösung ist erforderlich. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Lösungsansatz zur Ausführung dieser Schnittstelle zwischen Konstruktion und technischer Gebäudeausrüstung, die Methode Holz-in-Holz, vorgestellt. Dabei wird im Bereich von Leitungsdurchführungen ein massives Holzbauteil mit definierten Eigenschaften in Holzbauteile eingesetzt. Die Leitungsabschottung erfolgt in diesem massiven Holzbauteil. Vorteilhaft dabei ist die Verstetigung der entstehenden Schnittstelle sowie der entfallende Werkstoffwechsel. Untersucht wird zunächst die Anwendung klassifizierter Abschottungen in Holzbauteilen. Weiterführende Untersuchungen hinsichtlich geeigneter Dichtmaterialien für Einzelleitungsdurchführungen folgen. Aufbauend auf Brandversuchen an einzelnen metallischen Leitungen in passgenauen Bohrungen werden mithilfe von Finite Element Simulationen angepasste Querschnitte massiver Holzbauteile für unterschiedliche Feuerwiderstandsdauern sowie Mindestabstände zwischen Bohrungen für Leitungsdurchführungen ermittelt. Möglichkeiten zum Anschluss und zur Befestigung der Module an unterschiedliche Holzwand- und Deckenkonstruktionen werden erarbeitet. Die Arbeit schließt mit einem Vorschlag zur Implementierung der Herangehensweise in gültige Technische Baubestimmungen ab.
Aktualisiert: 2021-09-23
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Klebtechnische Oberflächenvorbehandlung bandverzinkter Stahlfeinbleche mittels CO2-Schneestrahlen und Haftvermittler

Klebtechnische Oberflächenvorbehandlung bandverzinkter Stahlfeinbleche mittels CO2-Schneestrahlen und Haftvermittler von Götz,  Lukas
Inhaltsangabe Notwendige Voraussetzung für langzeitbeständige Klebverbindungen auf dem komplexen Schichtsystem bandverzinkter Stahlhalbzeuge ist die Ausbildung adhäsiver Wechselwirkungen in der Grenzschicht zwischen Klebstoff und der zum Korrosionsschutz des Stahlwerkstoffs konzipierten Oberfläche. Vor dem Hintergrund herstellungsbedingter Kontamination sowie variierender Topographie und Elementarzusammensetzung unterschiedlich verzinkter Stahloberflächen ist das Erreichen einer reproduzierbaren Adhäsionswirkung eine besondere Herausforderung für die Klebtechnik. Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit bildet darauf aufbauend die Hypothese, dass sowohl durch den physikalischen Einfluss der CO2-Schneestrahlbehandlung als auch den physikalisch-chemischen Einfluss der Strahlbehandlung mit einem Stoffgemisch aus CO2-Schnee und Haftvermittler nach dem CRYOSIL®-Konzept adhäsive Wechselwirkungen auf bandverzinkten Stahlhalbzeugen ermöglicht werden, deren Beitrag zu Festigkeit und Beständigkeit geklebter Verbunde über die Wirksamkeit klebtechnischer Reinigungs- und Vorbehandlungsverfahren hinausgeht. Durch die Kombination oberflächensensitiver Analyse- und Bildgebungsverfahren mit mechanischen Prüfmethoden gelingt, neben grundlegenden Erkenntnissen zu Haftungsphänomenen auf elektrolytisch verzinkten (ZE) und feuerverzinkten (Z, ZM) Stahlhalbzeugen, ein Beitrag zum Verständnis von sequenziell ermöglichten sowie zeitlich parallel zum Einfluss der CO2-Schneestrahlbehandlung erzeugten oberflächen- und klebstoffspezifischen adhäsiven Wechselwirkungen.
Aktualisiert: 2021-08-27
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