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Global energy demand is still on an increase during the last decade, with a lot of impact on the climate change due to the intensive use of conventional fossil-based fuels power plants to cover this demand. Most recently, leaders of the globe met in 2015 to come out with the Paris Agreement, stating that the countries will start to take a more responsible and effective behaviour toward the global warming and climate change issues. Many studies have discussed how the future energy system will look like with respecting the countries’ targets and limits of greenhouse gases and their CO2 emissions. However, these studies rarely discussed the industry sector in detail even though it is one of the major role players in the energy sector. Moreover, many studies have simulated and modelled the energy system with huge jumps of intervals in terms of years and environmental goals. In the first part of this study, a model will be developed for the German electrical grid with high spatial and temporal resolutions and different scenarios of it will be analysed meticulously on shorter periods (annual optimization), with different flexibilities and used technologies and degrees of innovations within each scenario. Moreover, the challenge in this research is to adequately map the diverse and different characteristics of the medium-sized industrial sector. In order to be able to take a first step in assessing the relevance of the industrial sector in Germany for climate protection goals, the industrial sector will be mapped in PyPSA-Eur (an open-source model data set of the European energy system at the level of the transmission network) by detailing the demand for different types of industry and assigning flexibilities to the industrial types. Synthetically generated load profiles of various industrial types are available. Flexibilities in the industrial sector are described by the project partner Fraunhofer IPA in the GaIN project and can be used. Using a scenario analysis, the development of the industrial sector and the use of flexibilities are then to be assessed quantitatively.
Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war es, mit Hilfe einer Studie zu untersuchen, ob mit der am Vorfuß des Schuhs gebogenen Form positiver Einfluss auf die Biomechanik beim Laufen genommen werden kann. Nach Durchführung der markerbasierten Bewegungsana- lyse sowie einer Kraftmessung mittels instrumentiertem Laufband wurden hierzu über die Berechnungen der inversen Dynamik jeweils sowohl die Kinematik als auch die Kinetik der rechten unteren Extremität in der sagittalen Ebene ermittelt.
Sechzehn Versuchspersonen (25,3 ± 2,2 Jahre) absolvierten jeweils eine Laufeinheit von etwa 20 Sekunden Dauer in der Ebene mit einer flachen sowie mit einer am Vorfuß ge- bogenen Carbonfaser-Platte. Die gewählte Laufgeschwindigkeit betrug unabhängig der Bedingung 3,5 m/s. Letztlich konnte am Zehengrundgelenk ein Formeffekt betrachtet werden, wohingegen am Sprunggelenk eine Signifikanz dieses Effekts ausblieb. So war die Kinematik des Zehengrundgelenks in Form einer Reduktion der maximalen Dorsalflexi- on entlang der Stützphase bedeutsam durch die gebogene Form am Vorfuß beeinflusst. Ebenso wurden sowohl das maximale Plantarflexion-Moment als auch die generierte sowie absorbierte Leistung an diesem Gelenk während des Bodenkontaktes bedeutsam reduziert.
Aufgrund der vorliegenden Messergebnisse und des aktuellen Forschungsstandes wurde davon ausgegangen, dass die Reduktion der mechanischen Anforderungen am Zehengrund- gelenk in erster Linie infolge geringerer externer Hebelarme herbeigeführt werden konnten. Im Zusammenhang mit dem reduzierten Netto-Energieverlust wurde schließlich ein gerin- geres aktives Muskelvolumen der intrinsischen Fußmuskulatur vermutet. In Anbetracht des am Sprunggelenk ausgebliebenen Formeffekts deuteten die Daten demgegenüber jedoch nicht auf geringere Anforderungen dieses Gelenks infolge der gebogenen Form am Vorfuß hin. Diesbezüglich wurde vermutet, dass womöglich individuelle Antworten auf die Geome- trie der Mittelsohle in Form von einem aktiveren Abstoßen der Reduktion des externen Hebelarms entgegenwirkten.Nichtsdestotrotz deuteten die erhobenen Daten letztlich auf die Unterstützung der Vorteile einer erhöhten Biegesteifigkeit sowie in Teilen auf einen Ausbau dieser Effekte durch die Geometrie am Vorfuß hin.
Die fischer eco solutions ist Hersteller von HT-PEM Brennstoffzellen und deren Komponenten. Das Herzstück der Brennstoffzellen, die Membran-Elektroden-Einheit MEA, wird auf zwei prinzipiell baugleichen Heißpressen der fischer Maschinentechnik gefertigt. Ziel dieser Arbeit ist es, dass an beiden Pressen die konstant gleiche Qualität produziert werden kann. Außerdem sollen alle relevanten Einflussgrößen und Prozessparameter bei der MEA Herstellung aufgezeigt und optimiert werden.
Es wurden verschiedene Optimierungspotentiale umgesetzt:
• Zunächst werden die Qualitätsunterschiede beider Pressen
mit Hilfe eines Vergleichs-stacks quantitativ ermittelt.
• Die Qualitätsunterschiede sind auf Unterschiede in der
SPS Steuerung zurückzuführen.
• Beide Pressen werden in ihrer Programmierung angepasst
und ein erneuter Teststack validiert die Ursache der
großen Qualitätsunterschiede.
• Stark säurebelastete Bauteile und Baugruppen müssen durch
neue ersetzt werden.
• Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wird eine Material-
substitution der betroffenen Teile durchgeführt und diese
produziert und angebaut.
• Die Prozessparameter bei der MEA Herstellung sind
Presstemperatur T und Presszeit t.
• Mit Hilfe statistischer Versuchsplanung werden Versuche
mit veränderten Parametern durchgeführt.
• Ein Teststack mit 16 verschiedenen Konfigurationen wird
auf einem Teststand getestet.
• Die Auswertung der Versuche erfolgt mit dem
Statistikprogramm MiniTab.
• Mit den optimierten Prozessparametern lässt sich eine
höhere Leistung jeder MEA bei gleichzeitig reduzierter
Zykluszeit und geringerem Energieeinsatz realisieren.
Hersteller von Laufschuhen versprechen ihren Kunden Schuhe, die einen durch gezielte Energierückgabe der Mittelsohlen oder durch eine optimale Dämpfung bei der sportlichen Leistung unterstützen. Als aktueller Teststandard für das Materialreaktionsverhalten von Sportschuhen gilt der ASTM F1976. In diesem Test werden die Schuhe durch einen wiederholten Impulstest untersucht. Allerdings weder Rücksicht auf die zurückgelegte Distanz, noch auf variierende Körpergewichte genommen. In dieser Arbeit wird ein Messverfahren entwickelt, das Sportschuhe über eine simulierte Marathondistanz in Bezug auf die verarbeitete Energiemengen und das Verändern der Festigkeit analysiert. Es wurde ein Schuh der „Ghost“-Reihe der Firma „Brooks“ mit Hilfe einer elektro-dynamischen Prüfmaschine LMT10 der Firma Zwick/Röll zwei Mal im Bereich des Rückfußes mit zwei verschiedenen Lasten analysiert. Die Einstellungsparameter sind recherchierte Durchschnittswerte, die einen erwachsenen Europäer darstellen. Es hat sich herausgestellt, dass ein um 20% geringeres Körpergewicht eines Läufers nicht eine äquivalente geringere umgesetzte Energiemenge bedeutet. Im Vergleich zu der Messung des schwereren Läufers wurden lediglich 65% der Energiemenge umgesetzt. Darüber hinaus nimmt die Festigkeit der Mittelsohle bei der Messung mit 20% weniger Last kontinuierlich ab, wobei sie bei der Messung mit 100% im letzten Drittel der Messung wieder zunimmt. Als Gründe für dieses Verhalten wurden das nichtlineare Reaktionsverhalten von EVA-Schäumen und das anfängliche Verbessern der Gleitfähigkeit der Polymerketten festgestellt.
Die Veränderung von biomechanischen Risikofaktoren für Laufverletzungen bei laufinduzierter Ermüdung
(2021)
In dieser Arbeit wird die Veränderung von biomechanischen Risikofaktoren für Laufverletzungen bei laufinduzierter Ermüdung thematisiert. Ziel dieser Arbeit ist es daher zum einen den Haupteffekt der Laufdistanz auf die abhängigen Variablen (Risikofaktoren) mittels einer Varianzanalyse zu untersuchen und zum anderen zu ermitteln ab wann im Detail es innerhalb der 10 km-Laufdistanz zu einer signifikanten Veränderung im Vergleich zum nicht ermüdeten Zustand kommt.
UAVs (engl. Unmanned Aerial Vehicles) sind in den vergangenen Jahren auch außerhalb militärischer und wissenschaftlicher Nutzung beliebter geworden. Für autonome Fluganwendungen ist die Überwachung der Umgebung zwingend notwendig. In dieser Arbeit wird ein experimenteller Ansatz zur Hinderniserkennung mit Radar- und Lidarsensorik präsentiert. Dieser setzt sich aus der Kollisionsvermeidung der Flugsteuerung px4, einem Nvidia Jetson TX2 als Flugbegleitcomputer und den Sensoren Slamtec RPLidar A2M6 und Texas Instruments AWR1443 Radar zusammen. Insgesamt wurden drei verschiedene Hardwarekomponenten getestet. Zur Auswertung der Versuche wird eine durch Python OS-unabhängige Auswertesoftware entwickelt und implementiert. Die Versuchsplanung setzt sich aus drei Versuchen mit jeweils fünf in Geometrie und Textur unterschiedlichen Hindernissen zusammen. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass der eingesetzte Lidar gegenüber dem Radar Vorteile auf kurze Distanz aufweist. Zur Reproduzierbarkeit von Experimenten auf kurzer Distanz wird die Entwicklung eines fixen Messaufbaus empfohlen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation von Rissschließeffekten für Risslängen im Übergangsbereich von mikrostrukturell kurzen und mechanisch kurzen Rissen für zwei Probengeometrien. Als wichtige Bewertungsgrößen eines Ermüdungsrisses dienen die Rissöffnungsspannung und die zyklische Rissspitzenöffnung. Im ersten Teil der Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des mikrostrukturellen Einflusses in der Rissspitzenumgebung auf die Rissschließeffekte bei Risswachstum. Im hierfür verwendeten Finite-Elemente-Modell wird um die Rissspitze eines Oberflächenrisses in einer quasi unendlich ausgedehnten Platte eine zufällig angeordnete Kornstruktur erzeugt. Zur Beschreibung des mikrostrukturellen Materialverhaltens wird ein Einkristallplastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung eingesetzt. Das Werkstoffverhalten der umliegenden Platte wird mit einem in Abaqus/Standard vorhandenen homogenen von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung beschrieben. Insgesamt werden fünf unterschiedliche Mikrostrukturen simuliert und mit dem rein homogenen Werkstoff verglichen. Die zyklische Belastung erfolgt dehnungskontrolliert ohne Mitteldehnung im Modus I für zwei makroskopische Dehnungsamplituden im Bereich der Fließdehnung und deutlich oberhalb davon. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Mikrostruktur auf das Rissschließen, hervorgerufen durch unterschiedliche Kornorientierungen, Form und Größe der Körner und durch Korngrenzen. Bei niedriger Belastung zeigen die Mikrostrukturen mehr Rissschließeffekte verglichen zum homogenen Modell. Mit steigender Belastung nimmt bei allen Simulationen das Rissschließen ab. Der relevanteste Rissschließmechanismus ist das plastizitätsinduzierte Rissschließen, welches bei höherer Belastung durch Aufrauen der Rissflanken zusätzlich rauhigkeitsinduziertes Rissschließen verursacht.
Mit einem zweiten Finite-Elemente-Modell wird das Rissschließen und die Entwicklung der zyklischen Rissspitzenöffnung für den viertelskreisförmigen Riss in der dreidimensionalen Corner-Crack-Probe unter spannungskontrollierten isothermen und anisothermen TMF-Beanspruchungen untersucht. Hierfür findet ein temperaturabhängiges Abaqus/Standard von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung und Kriechansatz Anwendung. Alle Simulationen zeigen eine deutliche Beeinflussung der Bewertungsgrößen an der freien Probenoberfläche und im Probeninneren. Das Rissschließen nimmt mit steigender Belastung und mit zunehmend positiven Mittelspannungen ab. Zudem werden bei niedrigeren makroskopischen Belastungen geringere zyklische Rissspitzenöffnungen an der Probenoberfläche als in der Probenmitte beobachtet, was in direktem Zusammenhang mit dem Rissschließen steht. Die thermomechanischen Simulationen zeigen mehr Rissschließen für eine Belastung in Phase, verglichen zu einer gegenphasigen Beanspruchung.
In der heutigen Zeit sind viele Menschen von Rückenschmerzen betroffen. Besonders in der Industrie, beispielsweise im Bereich der Logistik oder der Produktion, kommt es durch die gesundheitlichen Beschwerden zu Arbeits- und Produktionsausfällen. Um den Beschwerden vorzubeugen, werden Exoskelette entwickelt, die das Muskel-Skelett-System unterstützen.
Exoskelette sind am Körper getragene Assistenzsysteme, die mechanisch auf den Körper einwirken. Insbesondere reduzieren sie den Kompressionsdruck im Bereich des unteren Rückens. In diesem Zusammenhang wird mit der vorliegenden Bachelorarbeit die Entlastung der Lendenwirbel durch den Einfluss von Exoskelett-typischen Kräften, die im Bereich des Brustkorbs und der Oberschenkel wirken, untersucht. Dabei beschränkt sich die Untersuchung auf eine Anhebung, wie beispielsweise die Anhebung einer Kiste.
Mithilfe eines markerbasierten und nicht-invasiven 3D-Aufnahmeverfahrens wird eine Hebebewegung ohne Exoskelett aufgenommen. Die experimentelle Aufnahme wird in der Software OpenSim mit einem computerbasierten Skelettmodell verknüpft. Durch das Hinzufügen von Exoskelett-typischen Kräften, die auf das Skelettmodell beim Anheben wirken, wird die Krafteinwirkung während des Tragens eines Exoskeletts simuliert. Dabei entstehen Drehmomente im unteren Rückenbereich, die in dieser Arbeit analysiert werden.
Die Auswertung des nicht-invasiven Verfahrens liefert die Erkenntnis, dass der Einsatz eines Exoskeletts beim Anheben im Bereich der Lendenwirbel zu einer Verringerung der Drehmomente und somit zu einer Verringerung der Belastung des unteren Rückens führt.
Durch die Umstrukturierung in der Automobilindustrie hinsichtlich Elektromobilität steigen die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen an die Zulieferunternehmen von Automobilherstellern. Um im Wettbewerb konkurrenzfähig zu sein, müssen die jeweiligen Prozesse stetig geprüft und optimiert werden. Anhand dieser Masterarbeit wird daher die Produktion von Komfortaktuatoren bezüglich Wirtschaftlichkeit sowie Kapazitätserweiterung analysiert und demnach ein Konzept zur Fertigungsoptimierung entwickelt.
Für diese Konzeptentwicklung wird zunächst die bestehende Produktion der Komfortaktuatoren anhand der Prozesskette bezüglich des Automatisierungsgrades erforscht. Eine Taktzeitanalyse der Endmontage weist den Engpass am manuellen Handarbeitsplatz auf, an dem die Bestückung des Transferträgers stattfindet. Die Betrachtung des Produktionsvolumens zeigt die Verdopplung der Stückzahlen ab 2024 bei den Aktuatoren mit Getriebelage rechts. Um diese Produktionsstückzahlen zu fertigen und den Engpass auszugleichen, ist eine Automatisierung der bestehenden Endmontage erforderlich. Die wirtschaftliche Investition in die Automatisierung bedeutet eine erhöhte Amortisationszeit, die sich je nach Stückzahlen zwischen acht und 15 Jahre befindet.
Eine geringere Kapitalrückflussdauer kann mit der Erweiterung der Fertigungslinie mit einem höheren Automatisierungsgrad sowie einer geringeren Taktzeit erreicht werden. Der benötigte Platzbedarf für diese Erweiterung der Fertigungslinie wird auf ungefähr 5,7 m abgeschätzt. Mit einer kompakten Anordnung der Fertigungsstationen kann dieser Einbau erfolgen. Für die Entwicklung des Transfersystems wird eine Anforderungsliste erstellt und anhand dieser ein Transfer-Konzept innerhalb der Fertigungslinie entwickelt. Aufgrund der Kostenschätzung und des Platzbedarfs erzielt das Konzept mit einem Transferträger die höhere Wertigkeit. Mit dem in dieser Masterarbeit erarbeiteten planerischen Konzept zur Fertigungsoptimierung wird eine Einsparung der Vorgabezeit von 11,3 min im Vergleich zum aktuellen Stand erzielt. Die Kosten der Neubau-Stationen und die anfallenden Umbaumaßnahmen werden auf etwa 950.000 € geschätzt. Der zeitliche Beginn dieser Erweiterungsmaßnahmen ist auf Anfang 2023 terminiert.
The Project "Schluckspecht" of the University of Offenburg consists of participating in the European marathon called "Shell Eco-Marathon"(SEM) which consists of designing and building from the beginning a vehicle with the greatest possible energy efficiency. The University of Offenburg has participated in this project since 1998.
The team that forms the Schluckspecht project is made up of around 30 students from the faculties of mechanical engineering, process engineering, electrical engineering, medical technology and computer science, as well as the degree in Audiovisual Communication. The team was founded in 1998 and since then students have been developing and building high efficiency vehicles to participate in the European marathon Shell Eco.
In this project, students can put into practice all the theoretical knowledge obtained during their studies. Also can be learned how to work interdisciplinarity as a team, a skill that for now, many companies or require or seek.
The following topics are discussed in the Schluckspecht project, which are also ideal for the work of students:
-Conception construction and production of high efficiency vehicles.
-Computational design and manufacture of lightweight components and sets.
-Development of lightweight components and sets from renewable raw materials.
-Construction and development of special test benches, for example: motor test bench.
-Implementation and optimization of control strategies for autonomous driving
-Mechanical and electrical integration of sensors for autonomous driving
-Ergonomic studies and optimization of the driver's cabin.
The objective of the project is to develop and manufacture research vehicles that make individual mobility as efficient as possible from an energy point of view. To achieve this, current and future issues of the industry are discussed. In this project, both the theoretical and practical part of the light construction of vehicles and the reduction of friction, the variety of propulsion concepts (electric thrusters, fuel cells, diesel/petrol engines, Stirling engines) and autonomous driving are investigated. The services of the University of Offenburg together with some external partners are grouped together to make this wonderful project work.