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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der simulativen Untersuchung von Strömung und Wärmeübergang im Kontext von Vorkammerzündsystemen. Dies geschieht im Rahmen der Entwicklung eines Gasmotors mit gasgespülter Vorkammer. Entscheidene Größen für die Strömung und Arbeitsweise in einer Vorkammerzündkerze sind die Geometrie und Anordnung der Überströmbohrungen, das Vorkammervolumen und die Form der Vorkammer. Die Betrachtung wird dafür aufgeteilt in die Themen Spaltströmungen, Wärmeübergang und drallbehaftete Strömungen. Diese werden zunächst isoliert betrachtet und letztendlich in einem Anwendungsfall zusammengeführt. Für die Betrachtung von Spaltströmungen werden unterschiedliche Platten mit Bohrlöchern zu verschiedenen Drücken, Durchmessern und Plattenstärken durchströmt und der Wärmeübergang und der Drall werden mithilfe einer durch Leitbleche gelenkte Strömung in einem beheizten Rohr untersucht. Die Zusammenführung der Themen wird anhand einer Anströmvorrichtung für Brenngase auf Motorzylinder durchgeführt. Dabei erreichen die Gase hohe Temperaturen und aufgrund von hohen Drücken und Spaltströmungen große Geschwindigkeiten.
Für die Simulation werden die Programme Ansys Fluent und Ansys Forte verwendet. Während ersteres primär für die Simulation von Strömungen verwendet wird, ist Forte speziell aufgebaut, um in Verbrennungsmotoren neben der Berechnung der Strömung auch die Einspritzung von Kraftstoff, die Verbrennung dessen und die resultierenden Schadstoffe zu berechnen. Da die Ergebnisse aus Forte eine große Gewichtung in der Beurteilung der Entwicklungsarbeit des Gasmotors hat, muss Forte selbst validiert werden. Dies wird durchgeführt anhand der angesprochenen Teilthemen und verglichen mit Messungen aus der Literatur und Simulationsergebnissen in Fluent.
Editorial
(2022)
Editorial
(2022)
Editorial
(2022)
Editorial
(2022)
Editorial
(2022)
Editorial
(2022)
Sweaty has already participated several times in RoboCup soccer competitions (Adult Size). Now the work is focused on stabilizing the gait. Moreover, we would like to overcome the constraints of a ZMP-algorithm that has a horizontal footplate as precondition for the simplification of the equations. In addition we would like to switch between impedance and position control with a fuzzy-like algorithm that might help to minimize jerks when Sweaty’s feet touch the ground.
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: Biochar as a Carbon Capture Technology
(2022)
The energy system is changing since some years in order to achieve the climate goals from the Paris Agreement which wants to prevent an increase of the global temperature above 2 °C. Decarbonisation of the energy system has become for governments a big challenge and different strategies are being stablished. Germany has set greenhouse gas reduction limits for different years and keeps track of the improvement made yearly. The expansion of renewable energy systems (RES) together with decarbonisation technologies are a key factor to accomplish this objective.
This research is done to analyse the effect of introducing biochar, a decarbonisation technology, and study how it will affect the energy system. Pyrolysis is the process from which biochar is obtained and it is modelled in an open-source energy system model. A sensibility analysis is made in order to assess the effect of changing the biomass potential and the costs for pyrolysis.
The role of pyrolysis is analysed in the form of different future scenarios to evaluate the impact. The CO2 emission limits from the years 2030 and 2045 are considered to create the scenarios, as well as the integration of flexibility technologies. Four scenarios in total are assessed and the result from the sensibility analysis considering pyrolysis are always compared to the reference scenario, where pyrolysis is not considered.
Results show that pyrolysis has a bigger impact in the energy system when the CO2 limit is low. Biochar can be used to compensate the emissions from other conventional power plant and achieve an energy transition with lower costs. Furthermore, it was also found that pyrolysis can also reduce the need of flexibility. This study also shows that the biomass potential and the pyrolysis costs can affect a lot the behaviour of pyrolysis in the energy system.
BACKGROUND
Various neutral and alkaline peptidases are commercially available for use in protein hydrolysis under neutral to alkaline conditions. However, the hydrolysis of proteins under acidic conditions by applying fungal aspartic peptidases (FAPs) has not been investigated in depth so far. The aim of this study, thus, was to purify a FAP from the commercial enzyme preparation, ROHALASE® BXL, determine its biochemical characteristics, and investigate its application for the hydrolysis of food and animal feed proteins under acidic conditions.
RESULTS
A Trichoderma reesei derived FAP, with an apparent molecular mass of 45.8 kDa (sodium dodecyl sulfate–polyacrylamide gel electrophoresis; SDS-PAGE) was purified 13.8-fold with a yield of 37% from ROHALASE® BXL. The FAP was identified as an aspartate protease (UniProt ID: G0R8T0) by inhibition and nano-LC-ESI-MS/MS studies. The FAP showed the highest activity at 50°C and pH 4.0. Monovalent cations, organic solvents, and reducing agents were tolerated well by the FAP. The FAP underwent an apparent competitive product inhibition by soy protein hydrolysate and whey protein hydrolysate with apparent Ki-values of 1.75 and 30.2 mg*mL−1, respectively. The FAP showed promising results in food (soy protein isolate and whey protein isolate) and animal feed protein hydrolyses. For the latter, an increase in the soluble protein content of 109% was noted after 30 min.
CONCLUSION
Our results demonstrate the applicability of fungal aspartic endopeptidases in the food and animal feed industry. Efficient protein hydrolysis of industrially relevant substrates such as acidic whey or animal feed proteins could be conducted by applying fungal aspartic peptidases. © 2022 Society of Chemical Industry.
Significant improvements in module performance are possible via implementation of multi-wire electrodes. This is economically sound as long as the mechanical yield of the production is maintained. While flat ribbons have a relatively large contact area to exert forces onto the solar cell, wires with round cross section reduce this contact area considerably – in theory to an infinitively thin line. Therefore, the local stresses induced by the electrodes might increase to a point that mechanical production yields suffer unacceptably.
In this paper, we assess this issue by an analytical mechanical model as well as experiments with an encapsulant-free N.I.C.E. test setup. From these, we can derive estimations for the relationship between lay-up accuracy and expected breakage losses. This paves the way for cost-optimized choices of handling equipment in industrial N.I.C.E.-wire production lines.
Micronization of biochar (BC) may ease its application in agriculture. For example, fine biochar powders can be applied as suspensions via drip-irrigation systems or can be used to produce grnulated fertilizers. However, micronization may effect important physical biochar properties like the water holding capacity (WHC) or the porosity.
Weitsprung mit und ohne Unterschenkelprothese – gleiche Sportart, unterschiedliche Disziplinen
(2022)
The majority of anterior cruciate ligament (ACL) injuries in team sports are non-contact injuries, with cutting maneuvers identified as high-risk tasks. Young female handball players have been shown to be at greater risk for ACL injuries than males. One risk factor for ACL injuries is the magnitude of the knee abduction moment (KAM). Cutting technique variables on foot placement, overall approach and knee kinematics have been shown to influence the KAM. Since injury risk is believed to increase with increasing task complexity, the purpose of the study was to test the effect of task complexity on technique variables that influence the KAM in female handball players during fake-and-cut tasks.
In dem Projekt BioMeth wurde der Ansatz der Membranbegasung zur Erhöhung der Verfügbarkeit von gelöstem Wasserstoff für die biologische Methanisierung im Sinn der Etablierung eines Power-to-Gas-Konzeptes zur Energiespeicherung verfolgt. Übergeordnetes Ziel war die Entwicklung eines skalierbaren Verfahrenskonzeptes, dass sich zur Nutzung CO2-haltiger Gasvolumenström eignet. Geplant war es, das Verfahren am Beispiel der Biogasanlage der Biokäserei Monte-Ziego in Teningen zu demonstrieren und dort das bestehende Konzept der parallelen Abwasseraufbereitung und Energieerzeugung zu erweitern. Die ursprüngliche Struktur des Arbeitspaketplanes ist in nachfolgender Abbildung gezeigt.
Konstrukteure im Maschinenbau stehen häufig vor der Problemstellung, hochfest vorgespannte Schraubenverbindungen und einen durchgehenden Korrosionsschutz zu vereinen. Die einschlägigen Normen und Richtlinien bieten hierzu Stand heute keine ausreichende Hilfestellung. In diesem Beitrag werden an Versuchsblechen ermittelte Setzbeträge von maschinenbautypischen organischen Beschichtungssystemen unter Variation der Belastungshöhe und der Umgebungstemperatur präsentiert und mit in Bauteilversuchen gemessenen Vorspannkraftverlusten vergleichend bewertet.
TRIZ Inventive Principles
(2022)
The analysis of several thousand patents led to the conclusion that inventive engineering problems and technical contradictions in all kinds of industrial sectors could be solved by a limited number of basic Inventive Principles (Altshuller, 1984). The modern Theory of Inventive Problem Solving TRIZ (VDI 4521) contains 40 basic Inventive Principles (IP). These principles are simple to use or modify and can be easily integrated in brainstorming or daily engineer’s work. One established part of industrial practice is the composition of the specific groups of principles for solving different kinds of problems (Livotov, Petrov, 2011). Based on interdisciplinary experience of TRIZ application in the industrial companies in the last 25 years the a general order in the application of 40 Inventive Principles can be recommended for idea generation and problem solving (Livotov, Chandra, Mas'udah et al, 2019). This brochure presents an update of the 40 Inventive Principles extending the original version (Altshuller, 1984) with additional 70 sub-principles, resulting in the advanced set of 160 sub-principles, regarded as elementary inventive operators. These extended version of inventive principles finds its application in the AIDA Automatic IDEA & IP Generator https://www.tris-europe.com/eng/software/innovationssoftware.htm
Running shoes were categorized either as motion control, cushioned, or minimal footwear in the past. Today, these categories blur and are not as clearly defined. Moreover, with the advances in manufacturing processes, it is possible to create individualized running shoes that incorporate features that meet individual biomechanical and experiential needs. However, specific ways to individualize footwear to reduce individual injury risk are poorly understood. Therefore, the purpose of this scoping review was to provide an overview of (1) footwear design features that have the potential for individualization; (2) human biomechanical variability as a theoretical foundation for individualization; (3) the literature on the differential responses to footwear design features between selected groups of individuals. These purposes focus exclusively on reducing running-related risk factors for overuse injuries. We included studies in the English language on adults that analyzed: (1) potential interaction effects between footwear design features and subgroups of runners or covariates (e.g., age, gender) for running-related biomechanical risk factors or injury incidences; (2) footwear perception for a systematically modified footwear design feature. Most of the included articles (n = 107) analyzed male runners. Several footwear design features (e.g., midsole characteristics, upper, outsole profile) show potential for individualization. However, the overall body of literature addressing individualized footwear solutions and the potential to reduce biomechanical risk factors is limited. Future studies should leverage more extensive data collections considering relevant covariates and subgroups while systematically modifying isolated footwear design features to inform footwear individualization.
Modelbasierte Zustandsschätzung elektrischer Betriebsmittel der Mittel- und Niederspannungsebenen
(2022)
Im Projekt MOBCOM wird ein neues Verfahren zur Zustandsüberwachung von elektrischen Betriebsmitteln in Niederspannungsnetzen und Anlagen entwickelt. Mittels PLC (power line communication) Technologie werden hochfrequente transiente Vorgänge auf dem Stromkanal und dessen Übertragungseigenschaften erfasst und bewertet.
In dem Abschlussbericht wird ein Prototyp für Powerline-Kommunikation zur Netzüberwachung beschrieben. Der Prototyp basiert auf einem PLC-Empfänger, welcher den Kanal misst, um so Informationen über den PLC-Kanal und den aktuellen Zustand des Stromnetzes zu erhaltet. Der PLC-Empfänger verwendet das Kommunikationssignal, um eine genaue Schätzung des Stromkanals zu erhalten und liefert Informationen zur Erkennung von Teilentladungen und anderen Anomalien im Netz. Diese Überwachung des Stromnetzes macht sich die bestehende PLC-Infrastruktur zunutze und verwendet die ohnehin übertragenen Datensignale, um eine Echtzeitmessung der Kanalübertragungsfunktion und des empfangenen Rauschsignals zu erhalten. Da dieses Signal im Vergleich zu einfacheren Messsensoren mit einer hohen Abtastrate abgetastet wird, enthält es wertvolle Informationen über mögliche Beeinträchtigungen im Netz, die behoben werden müssen. Während die Kanalmessungen auf einem empfangenen PLC-Signal beruhen, können Informationen über Teilentladungen oder andere Störquellen allein durch einen PLC-Empfänger gesammelt werden, d. h. ohne eine PLC-Übertragung. Es wurde ein Prototyp auf Basis von Software Defined Radio entwickelt, der die gleichzeitige Kommunikation und Erfassung für ein Stromnetz implementiert.
The sharp rise in electricity and oil prices due to the war in Ukraine has caused fluctuations in the results of the previous study about the economic analysis of electric buses. This paper shows how the increase in fuel prices affects the implementation of electric buses. This publication is constructing the Total Cost of Ownership (TCO) model in the small-mid-size city, Offenburg for the transition to electric buses. The future development of costs is estimated and a projection based on learning curves will be carried out. This study intends to introduce a new future prospect by presenting the latest data based on previous research. Through the new TCO result, the cost differences between the existing diesel bus and the electric bus are updated, and also the future prospects for the economic feasibility of the electric bus in a small and midsize city are presented.
Due to the Covid-19 pandemic, the RoboCup WorldCup 2021 was held completely remotely. For this competition the Webots simulator (https://cyberbotics.com/) was used, so all teams needed to transfer their robot to the simulation. This paper describes our experiences during this process as well as a genetic learning approach to improve our walk engine to allow a more stable and faster movement in the simulation. Therefore we used a docker setup to scale easily. The resulting movement was one of the outstanding features that finally led to the championship title.
This review provides an overview on the production and analysis techniques of antioxidative peptides from food proteins. Regarding the production of antioxidative peptides, interlinked factors must be considered. Depending on the protein substrate, different peptidases or peptidase systems containing multiple enzymes as well as a specific production process must be chosen. The antioxidative peptides might be produced in a batch process including multiple pre- and post-treatments, besides the hydrolyses with peptidases itself. As an alternative, the potential of continuous production systems is discussed in this review. Furthermore, robust analyses tools are needed to gain control of the process and final product properties. With no standardized methodology available for antioxidative peptide evaluation, pros and cons of various strategies for peptide separation and antioxidative measurement are discussed in this review. Therefore, this review provides a roadmap for antioxidative peptide generation from various sources for research and development as well as for potential industrial use.
In the literature, many studies have described the 3D printing of ceramic-based scaffolds (e.g., printing with calcium phosphate cement) in the form of linear structures with layer rotations of 90°, although no right angles can be found in the human body. Therefore, this work focuses on the adaptation of biological shapes, including a layer rotation of only 1°. Sample shapes were printed with calcium phosphate cement using a 3D Bioplotter from EnvisionTec. Both straight and wavy spokes were printed in a round structure with 12 layers. Depending on the strand diameter (200 and 250 µm needle inner diameter) and strand arrangement, maximum failure loads of 444.86 ± 169.39 N for samples without subsequent setting in PBS up to 1280.88 ± 538.66 N after setting in PBS could be achieved.
Im Projekt „BioMeth“ wurden zwei neuartige und bislang noch nicht für die biologische Methanisierung beschriebene Anlagenkonzepte entwickelt. Der neuentwickelte Invers-Membranreaktor (IMR) ermöglicht es, den Eintrag der erforderlichen Eduktgase Wasserstoff H2 und Kohlendioxid CO2 über kommerziell erhältliche Ultrafiltrationsmembranen und den Entgasungsbereich für den Methanaustrag räumlich zu trennen und zusätzlich einen hydraulischen Druck zur Steigerung des Wasserstoffeintrages zu nutzen. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass perspektivisch sowohl das CO2 aus klassischem Biogas als auch CO2-Quellen aus industriellen Abluftströmen, z. B. aus der Zementindustrie als Kohlenstoffquelle genutzt werden können.
Über die biologische Methanisierung hinaus eignet sich der Invers-Membranreaktor der Einschätzung der Autoren nach auch generell zur biotechnologischen Herstellung nicht-flüchtiger Wertstoffe ausgehend von gasförmigen Substraten. Im IMR kann z. B. ein Membranmodul zum Eintrag der Eduktgase verwendet werden, während ein weiteres Hohlmembranmodul zur zyklischen oder kontinuierlichen Abtrennung der wertstoffhaltigen Reaktionslösung unter Rückhaltung der Mikrobiologie im Sinne eines In-situ Product Recovery (ISPR)-Konzeptes genutzt werden kann.
Als herausragendes Ergebnis erwies sich während der Untersuchung des IMR, dass mit dem Konzept der Membranbegasung CH4-Konzentrationen von > 90 Vol.-% über eine einjährige Versuchsreihe kontinuierlich und mit flexiblem Gaseintrag erzielt werden konnten. Nach Inbetriebnahme war dabei außer der Zugabe von H2 und CO2 als Energie- bzw. C-Quelle lediglich eine zweimalige Ergänzung von Supplementen erforderlich. Die maximal erreichte membranflächen-spezifische Methanbildungsrate ohne Gaszirkulation lag bei 83 LN Methan pro m2 Membranfläche und Tag bei einer Produktgaszusammensetzung von 94 Vol.% Methan, 2 Vol.% H2, und 4 Vol.% CO2.
Das zweite noch in der frühen Testphase befindliche Verfahren nutzt Druckunterschiede in einer 10 m hohen gepackten Gegenstromblasensäule, die mit einem ebenfalls 10 m hohen separaten Entgasungs-Reaktor kombiniert wurde. Diese Verfahrenskonzept soll es ermöglichen, eine hohe Wasserstofflöslichkeit aufgrund des am Säulenfuß vorliegenden hydrostatischen Druckes zu erreichen und dabei gleichzeitig den Energiebedarf zu minimieren, die Investitionskosten zu reduzieren und optimale zeitliche und räumlichen Bedingungen für die mikrobiologische Umsetzung von H2 und CO2 zu schaffen. Erste Untersuchungen am Gegenstromblasensäulenreaktor zum Stoffübergang von Luft bestätigten eine gute Anreicherung der im Kreislauf geführten Flüssigkeit bereits bei verhältnismäßig niedrigen Gasleerrohrgeschwindigkeiten. In der zweiten Säule des Reaktoraufbaus sollte am Kopf aufgrund der Druckentspannung ein Ausgasen der im Vergleich zu Atmosphärendruck mit Gas übersättigten Flüssigkeit erfolgen. Das Ausgasen der Flüssigkeit konnte ebenfalls am Beispiel des Lufteintrages bestätigt werden.
An import ban of Russian energy sources to Germany is currently being increasingly discussed. We want to support the discussion by showing a way how the electricity system in Germany can manage low energy imports in the short term and which measures are necessary to still meet the climate protection targets. In this paper, we examine the impact of a complete stop of Russian fossil fuel imports on the electricity sector in Germany, and how this will affect the climate coals of an earlier coal phase-out and climate neutrality by 2045.
Following a scenario-based analysis, the results gave a point of view on how much would be needed to completely rely on the scarce non-renewable energy resources in Germany. Huge amounts of investments would be needed in order to ensure a secure supply of electricity, in both generation energy sources (RES) and energy storage systems (ESS). The key findings are that a rapid expansion of renewables and storage technologies will significantly reduce the dependence of the German electricity system on energy imports. The huge integration of renewable energy does not entail any significant imports of the energy sources natural gas, hard coal, and mineral oil, even in the long term. The results showed that a ban on fossil fuel imports from Russia outlines huge opportunities to go beyond the German government's climate targets, where the 1.5-degree-target is achieved in the electricity system.
During the coronavirus crisis, labs had to be offered in digital form in mechanical engineering at short notice. For this purpose, digital twins of more complex test benches in the field of fluid energy machines were used in the mechanical engineering course, with which the students were able to interact remotely to obtain measurement data. The concept of the respective lab was revised with regard to its implementation as a remote laboratory. Fortunately, real-world labs were able to be fully replaced by remote labs. Student perceptions of remote labs were mostly positive. This paper explains the concept and design of the digital twins and the lab as well as the layout, procedure, and finally the results of the accompanying evaluation. However, the implementation of the digital twins to date does not yet include features that address the tactile experience of working in real-world labs.
The energy system is changing since some years in order to achieve the climate goals from the Paris Agreement which wants to prevent an increase of the global temperature above 2 °C [1]. Decarbonisation of the energy system has become for governments a big challenge and different strategies are being stablished. Germany has set greenhouse gas reduction limits for different years and keeps track of the improvement made yearly. The expansion of renewable energy systems (RES) together with decarbonisation technologies are a key factor to accomplish this objective.
This research is done to analyse the effect of introducing biochar, a decarbonisation technology, and study how it will affect the energy system. Pyrolysis is the process from which biochar is obtained and it is modelled in an open-source energy system model. A sensibility analysis is done in order to assess the effect of changing the biomass potential and the costs for pyrolysis.
The role of pyrolysis is analysed in the form of different future scenarios for the year 2045 to evaluate the impact when the CO2 emission limit is zero. All scenarios are compared to the reference scenario, where pyrolysis is not considered.
Results show that biochar can be used to compensate the emissions from other conventional power plant and achieve an energy transition with lower costs. Furthermore, it was also found that pyrolysis can also reduce the need of flexibility. This study also shows that the biomass potential and the pyrolysis costs can strongly affect the behaviour of pyrolysis in the energy system.
Eco-Feasibility Study and Application of Natural Inventive Principles in Chemical Engineering Design
(2022)
The early stages of the front-end process development are critical for the future success of projects involving new technologies. The application of eco-inventive principles identified in natural systems to the design of chemical processes and equipment allows one to find ways to mitigate or avoid secondary ecological problems such as, for example, higher consumption of raw materials or energy, generation of hazardous waste and pollution of the environment by toxic chemicals. However, before implementing a new technology in a real operational environment, it is necessary to completely investigate its undesirable ecological impact and to evaluate the future viability of this technology. Therefore, the research paper presents a study of ecological feasibility of an innovative process design utilising natural eco-inventive principles and analyses the correlations between applied inventive principles. Such eco-feasibility study can be considered as an important decision gate to determine whether the technology implementation should be moved forward. Furthermore, the study evaluates the practicability of natural inventive principles to the eco-friendly process design and is illustrated with an example of a sustainable technology for nickel extraction from pyrophyllite.
Rising societies’ demands require more sustainable products and technologies. Although numerous methods and tools have been developed in the last decades to support environmental-friendly product and process development, an interdisciplinary knowledge base of eco-innovative examples linked to the eco-innovative problems and solution principles is lacking. The paper proposes an ontology of examples for eco-friendly products and technologies assigned to the Inventive Principles (IPs) of the TRIZ methodology in accordance with the German TRIZ Standard VDI 4521. The examples of sustainable technologies and products build a database for sharing and reusing eco-innovation knowledge. The ontology acts as a tool for systematic solving of specific environmental problems in typical life cycle phases, for different environmental impact categories and engineering domains. Finally, the paper defines a future research agenda in the field of the TRIZ-based systematic eco-innovation.
Acoustic waves are investigated which are guided at the edge (apex line) of a wedge-shaped elastic body or at the edge of an elastic plate. The edges contain a periodic sequence of modifications, consisting either of indentations or inclusions with a different elastic material which gives rise to high acoustic mismatch. Dispersion relations are computed with the help of the finite element method. They exhibit zero-group velocity points on the dispersion branches of edge-localized acoustic modes. These special points also occur at Bloch-Floquet wavenumbers away from the Brillouin zone boundary. Deep indentations lead to flat branches corresponding to largely non-interacting, Einstein-oscillator like vibrations of the tongues between the grooves of the periodic structure. Due to the nonlinearity of the elastic media, quantified by their third-order elastic constants, an acoustic mode localized at a periodically modified edge generates a second harmonic which partly consists of surface and plate modes propagating into the elastic medium in the direction vertical to the edge. This acoustic radiation at the second-harmonic frequency is investigated for an elastic plate and a truncated sharp-angle wedge with periodic inclusions at their edges. Unlike nonlinear bulk wave generation by surface acoustic waves in an interdigital structure, surface and plate mode radiation by edge-localized modes can be visualized directly in laser-ultrasound experiments.
Rehabilitationsmaßnahmen nach Unfällen oder Krankheiten sind oft langwierig und häufig mit Schmerzen sowie Frustration verbunden – und Ähnliches gilt für Präventionstraining. Die spielerische Anreicherung des Trainings (im Folgenden: Gamification) kann dieser Entwicklung durch die Steigerung des Spaßfaktors entgegenwirken. Im Gegensatz zu regulären Spielen kann es durch die höhere Motivation und Immersion im Training allerdings zu einer verminderten Schmerzwahrnehmung und damit einer Verschlechterung des Gesundheitszustands bis hin zu einer erneuten Verletzung kommen. Daher war es bislang erforderlich, solche Ansätze kontinuierlich therapeutisch zu begleiten. Für eine autonome Intervention, zur Entlastung von Therapeuten, aber auch im Heimbereich ist eine automatisierte Anpassung des Schwierigkeitsgrads des Bewegungstrainings und eine individualisierte Zielsetzung und -kontrolle von zentraler Bedeutung. Diese Herausforderung ist in bestehenden Ansätzen zu wenig adressiert bzw. beschrieben worden. Der Einsatz künstlicher Intelligenz kann hier einen entscheidenden Beitrag zu leisten – insbesondere hybride Ansätze, die expertenbasierte Entscheidungsbäume mit Verfahren des maschinellen Lernens kombinieren, könnten in der Zukunft einen wichtigen Beitrag zu einer erfolgreichen Rehabilitation und Prävention liefern.
Research is often conducted to investigate footwear mechanical properties and their effects on running biomechanics, but little is known about their influence on runner satisfaction, or how well the shoe is perceived. A tool to predict runner satisfaction in a shoe from its mechanical properties would be advantageous for footwear companies. Data in this study were from a database (n = 615 subject-shoe pairings) of satisfaction ratings (gathered after participants ran on a treadmill), and mechanical testing data for 87 unique subjects across 61 unique shoes. Random forest and elastic net logistic regression models were built to test if footwear mechanical properties and subject characteristics could predict runner satisfaction in 3 ways: degree-of-satisfaction on a 7-point Likert scale, overall satisfaction on a 3-point Likert scale, and willingness-to-purchase the shoe (yes/no response). Data were divided into training and validation sets, using an 80–20 split, to build the models and test their accuracy, respectively. Model accuracies were compared against the no-information rate (i.e. proportion of data belonging to the largest class). The models were not able to predict degree-of-satisfaction or overall satisfaction from footwear mechanical properties but could predict runner’s willingness to purchase with 68–75% accuracy. Midsole Gmax at the heel and forefoot appeared in the top five of variable importance rankings across both willingness-to-purchase models, suggesting its role as a major factor in purchase decisions. The negative regression coefficient for both heel and forefoot Gmax indicated that softer midsoles increase the likelihood of a shoe purchase. Future models to predict satisfaction may improve accuracy with the addition of more subject-specific parameters, such as running goals or foot proportions.
Background: Running overuse injuries (ROIs) occur within a complex, partly injury-specific interplay between training loads and extrinsic and intrinsic risk factors. Biomechanical risk factors (BRFs) are related to the individual running style. While BRFs have been reviewed regarding general ROI risk, no systematic review has addressed BRFs for specific ROIs using a standardized methodology.
Objective: To identify and evaluate the evidence for the most relevant BRFs for ROIs determined during running and to
suggest future research directions.
Design: Systematic review considering prospective and retrospective studies. (PROSPERO_ID: 236,832).
Data Sources: PubMed. Connected Papers. The search was performed in February 2021.
Eligibility Criteria: English language. Studies on participants whose primary sport is running addressing the risk for the seven most common ROIs and at least one kinematic, kinetic (including pressure measurements), or electromyographic BRF. A BRF needed to be identified in at least one prospective or two independent retrospective studies. BRFs needed to be determined during running.
Results: Sixty-six articles fulfilled our eligibility criteria. Levels of evidence for specific ROIs ranged from conflicting to moderate evidence. Running populations and methods applied varied considerably between studies. While some BRFs appeared for several ROIs, most BRFs were specific for a particular ROI. Most BRFs derived from lower-extremity joint kinematics and kinetics were located in the frontal and transverse planes of motion. Further, plantar pressure, vertical ground reaction force loading rate and free moment-related parameters were identified as kinetic BRFs.
Conclusion: This study offers a comprehensive overview of BRFs for the most common ROIs, which might serve as a starting point to develop ROI-specific risk profiles of individual runners. We identified limited evidence for most ROI-specific risk factors, highlighting the need for performing further high-quality studies in the future. However, consensus on data collection standards (including the quantification of workload and stress tolerance variables and the reporting of injuries) is warranted.
The purpose of this study was to describe the effects of running speed and slope on metatarsophalangeal (MTP) joint kinematics. 22 male and female runners underwent 3D motion analysis on an instrumented treadmill at three different speeds (2.5 m/s, 3.0 m/s, 3.5 m/s). At each speed, participants ran at seven slope conditions (downhill: -15%, -10%, -5%, level, and uphill: +5%, +10%, +15%). We found a significant main effect (p < 0.001) of running speed and slope on peak MTP dorsiflexion and a running speed by slope interaction effect (p < 0.001) for peak MTP dorsiflexion velocity. These findings highlight the need to consider running intensity and environmental factors like running surface inclination when considering MTP joint mechanics and technological aids to support runners.
Background: Many countries have restricted public life in order to contain the spread of the novel coronavirus (SARS-CoV2). As a side effect of related measures, physical activity (PA) levels may have decreased.
Objective: We aimed (1) to quantify changes in PA and (2) to identify variables potentially predicting PA reductions.
Methods: A systematic review with random-effects multilevel meta-analysis was performed, pooling the standardized mean differences in PA measures before and during public life restrictions.
Results: A total of 173 trials with moderate methodological quality (modified Downs and Black checklist) were identified. Compared to pre-pandemic, total PA (SMD − 0.65, 95% CI − 1.10 to − 0.21) and walking (SMD − 0.52, 95% CI − 0.29 to − 0.76) decreased while sedentary behavior increased (SMD 0.91, 95% CI: 0.17 to 1.65). Reductions in PA affected all intensities (light: SMD − 0.35, 95% CI − 0.09 to − 0.61, p = .013; moderate: SMD − 0.33, 95% CI − 0.02 to − 0.6; vigorous: SMD − 0.33, − 0.08 to − 0.58, 95% CI − 0.08 to − 0.58) to a similar degree. Moderator analyses revealed no influence of variables such as sex, age, body mass index, or health status. However, the only continent without a PA reduction was Australia and cross-sectional trials yielded higher effect sizes (p < .05).
Conclusion: Public life restrictions associated with the COVID-19 pandemic resulted in moderate reductions in PA levels and large increases in sedentary behavior. Health professionals and policy makers should therefore join forces to develop strategies counteracting the adverse effects of inactivity.
Effect of downhill running on biomechanical risk factors associated with iliotibial band syndrome
(2022)
The purpose of this study was to identify the influence of downhill running on biomechanical risk factors for iliotibial band syndrome. We conducted a 3D motion analysis of 22 females and males running on an instrumented treadmill at four different inclinations (0%, -5%, -10%, -15%) at a speed of 3.5 m/s. We found significant differences for biomechanical risk factors associated with iliotibial band syndrome. Peak knee flexion angle at initial ground contact (p < .001), peak knee adduction angle (p = .005), and iliotibial band strain (p < .001) systematically increased with increasing slope. Downhill running increases biomechanical risk factors for iliotibial band syndrome. Our results highlight the need to consider the individual running environment in assessing overuse injury risk in runners.
Running footwear is continuously being modified and improved; however, running-related overuse injury rates remain high. Nevertheless, novel manufacturing processes enable the production of individualized running shoes that can fit the individual needs of runners, with the potential to reduce injury risk. For this reason, it is essential to investigate functional groups of runners, a collective of runners who respond similarly to a footwear intervention. Therefore, the objective of this study was to develop a framework to identify functional groups based on their individual footwear response regarding injury-specific running-related risk factors for Achilles tendinopathy, Tibial stress fractures, Medial tibial stress syndrome, and Patellofemoral pain syndrome. In this work, we quantified the footwear response patterns of 73 female and male participants when running in three different footwear conditions using unsupervised learning (k-means clustering). For each functional group, we identified the footwear conditions minimizing the injury-specific risk factors. We described differences in the functional groups regarding their running style, anthropometric, footwear perception, and demographics. The results implied that most functional groups showed a tendency for a single footwear condition to reduce most biomechanical risk factors for a specific overuse injury. Functional groups often differed in their hip and pelvis kinematics as well as their subjective rating of the footwear conditions. The footwear intervention only partially affected biomechanical risk factors attributed to more proximal joints. Due to its adaptive nature, the framework could be applied to other footwear interventions or performance-related biomechanical variables.
This study aimed to compare a simplified calculation of the knee abduction moment with the traditional inverse dynamics calculation when athletes perform fake-cut maneuvers with different complexities. In the simplified calculation, we multiply the force vector with its lever arm to the knee, projected onto the local coordinate system of the proximal thigh, hence neglecting the inertial contributions from distal segments. We found very strong ranking consistency using Spearman’s rank correlation coefficient when using the simplified method compared to the traditional calculation. Independent of the tasks, the simplified method resulted in higher moments than the inverse dynamics. This was caused by ignoring the moment caused by segment linear acceleration generating a counteracting moment by about 7%. An alternative to the complex calculations of inverse dynamics can be used to investigate the contributions of the GRF magnitude and its lever arm to the knee.
The purpose of this study was to 1) compare knee joint kinematics and kinetics of fake-and-cut tasks of varying complexity in 51 female handball players and 2) present a case study of one athlete who ruptured her ACL three weeks post data collection. External knee joint moments and knee joint angles in all planes at the instance of the peak external knee abduction moment (KAM) as well as moment and angle time curves were analyzed. Peak KAMs and knee internal rotation moments were substantially higher than published values obtained during simple change-of-direction tasks and, along with flexion angles, differed significantly between the tasks. Introducing a ball reception and a static defender increased joint loads while they partially decreased again when anticipation was lacking. Our results suggest to use game-specific assessments of injury risk while complexity levels do not directly increase knee loading. Extreme values of several risk factors for a post-test injured athlete highlight the need and usefulness of appropriate screenings.
Die Kombination von Reibung und Kompressibilität wird bei der Rohrströmung, der Kugelumströmung und der laminaren und turbulenten Plattengrenzschicht untersucht. Das Auftreten von Verdichtungsstößen führt zur Stoß-Grenzschicht-Interferenz und auf den Tsien-Parameter. Die Mach-Reynoldszahl Ähnlichkeit in der Gasdynamik führt zur Abgrenzung der verschiedenen Strömungsbereiche. Resultate von Windkanaluntersuchungen sowie analytischen und numerischen Berechnungen werden für das Rhombusprofil und das NACA 0012 Profil analysiert.
Gasdynamik
(2022)
Für kompressible Strömungen werden die Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie hergeleitet. Die Eigenschaften der Stoßgleichungen wie Rankine-Hugoniot-Relation und Rayleigh-Gerade werden betrachtet. Zur Berechnung der Kräfte auf umströmte Körper werden die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte ermittelt. Auf der Basis der Stromfadentheorie wird die Auslegung von Lavaldüsen behandelt. Das physikalische Verhalten linearer Unter- und Überschallströmungen und transsonischer Profilumströmungen wird analysiert.
Die Navier-Stokes Gleichungen bilden mit der Energiegleichung die Basis zur Beschreibung reibungsbehafteter Strömungen. Kennzahlen bilden die Grundlage der Ähnlichkeitsbetrachtungen und Modellgesetze. Lösungen werden für laminare und turbulente Strömungen ermittelt. Der Impulssatz dient zur Berechnung von Kraftwirkungen. Druckverluste bei Durchströmungen und Strömungswiderstände bei Umströmungen werden an Beispielen ermittelt. Die Grenzschichttheorie findet bei hohen Reynoldszahlen Anwendung.
Ausgehend von eindimensionalen reibungsfreien Strömungen wird die Bernoulli-Gleichung und die Energiebilanz hergeleitet. Mit der Eulerschen Betrachtungsweise wird der Unterschied zwischen stationären und zeitabhängigen Strömungen verdeutlicht und an zahlreichen Beispielen angewandt. Die zweidimensionalen reibungsfreien und inkompressiblen Strömungen werden mit der Potenzialtheorie behandelt. Die Lösungseigenschaften werden am Beispiel der Zylinderumströmung ohne und mit Zirkulation aufgezeigt.
Die Eigenschaften von Fluiden sind zur Beschreibung von Strömungsvorgängen mit den Erhaltungssätzen für Masse, Impuls und Energie notwendig. Für inkompressible Fluide wird die Grenze der Dichteänderung in Abhängigkeit der Machzahl angegeben. Die Rheologie behandelt die Fließeigenschaften der Fluide bei Deformationen in Strömungen. Die Viskosität tritt beim newtonschen Schubspannungsansatz auf. Das Verhalten von Druck und Dichte in der Hydro- und Aerostatik wird beschrieben.
High-performance thin-layer chromatography (HPTLC), as the modern form of TLC (thin-layer chromatography), is suitable for detecting pharmaceutically active compounds over a wide polarity range using the gradient multiple development (GMD) technique. Diode-array detection (DAD) in conjunction with HPTLC can simultaneously acquire ultraviolet‒visible (UV‒VIS) and fluorescence spectra directly from the plate. Visualization as a contour plot helps to identify separated zones. An orange peel extract is used as an example to show how GMD‒DAD‒HPTLC in seven different developments with seven different solvents can provide an overview of the entire sample. More than 50 compounds in the extract can be separated on a 6-cm HPTLC plate. Such separations take place in the biologically inert stationary phase of HPTLC, making it a suitable method for effect-directed analysis (EDA). HPTLC‒EDA can even be performed with living organism, as confirmed by the use of Aliivibrio fischeri bacteria to detect bioluminescence as a measure of toxicity. The combining of gradient multiple development planar chromatography with diode-array detection and effect-directed analysis (GMD‒DAD‒HPTLC‒EDA) in conjunction with specific staining methods and time-of-flight mass spectrometry (TOF‒MS) will be the method of choice to find new chemical structures from plant extracts that can serve as the basic structure for new pharmaceutically active compounds.
Two solvent mixtures for high-performance thin-layer chromatographic (HPTLC) separation of some compounds showing estrogenic activity in the yeast estrogen screen (YES) assay are presented. The new method, planar yeast estrogen screen (pYES) combines the YES assay and a chromatographic separation on silica gel HPTLC plates with the performance of the YES assay. For separation, the analytes were applied bandwise to HPTLC plates (10 × 20 cm) with fluorescent dye (Merck, Germany). The plates were developed in a vertical developing chamber after 30 min of chamber saturation over a separation distance of 70 mm, using cyclohexane‒methyl-ethyl ketone (2:1, V/V) or cyclohexane‒CPME (3:2, V/V) as solvents. Both solvents allow separation of estriol, daidzein, genistein, 17β-estradiol, 17α-ethinyl estradiol, estrone, 4-nonylphenol and bis(2-ethylhexyl) phthalate.
In den letzten 100 Jahren hat sich die mittlere Temperatur der Erdoberfläche um etwa 0,6 bis 0,8 °C erhöht. Diese Temperatur korreliert mit der Zunahme der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre. CO2 sowie verschiedene andere Gase erzeugen eine Erwärmung der Atmosphäre, da diese das sichtbare Licht (kurzwellige elektromagnetische Wellen) in Wärme umwandeln (längerwellige elektromagnetische Wellen, Infrarot-Strahlung), die weniger gut in das Weltall abgestrahlt wird und somit die Atmosphäre langfristig erwärmt. Dieser Effekt wird für die solare Erwärmung der Gewächshäuser bzw. Treibhäuser (Greenhouses) genutzt.
Energiespeicherung
(2022)
Der Endverbraucher erwartet die Energielieferung direkt an den Verbrauchsort. Er unterhält für die elektrische Energie und das Erdgas keine Vorratshaltung, weshalb diese bedarfsgleich geliefert werden müssen. Energiespeicher entkoppeln die Primärenergiegewinnung, z. B. im Bergbau, und die Energieumwandlung beim Versorger einerseits und den Energieverbrauch mit seinen zeitlichen Variationen andererseits.
Energetische Müllverwertung
(2022)
In den 1970er-Jahren entstand in der Bundesrepublik Deutschland das Bewusstsein für die Problematik von Mülldeponien mit ihren Sickerwässern und entweichenden Gasen. Die lokalen Müllkippen wurden zugunsten weniger zentraler, überwachter Anlagen geschlossen (Faustregel: Eine Zentraldeponie pro Landkreis).
Das Wort Geothermie kommt aus dem Griechischen und setzt sich aus „Geo“ = Erde und „Thermie“ = Wärme zusammen. Bei der Geothermie wird die Wärme des warmen Untergrunds genutzt. Geothermie ist eine regenerative (CO2 freie), stetig verfügbar, von Witterungseinflüssen, Tages- und Jahreszeiten unabhängige Energiequelle, was sie von anderen regenerativ/erneuerbaren Energien wie z. B. Wind und Photovoltaik unterscheidet. Tiefengeothermische Kraftwerke sind grundlastfähig und können andere CO2 intensive Grundlastkraftwerke wie Steinkohlekraftwerke ersetzen. Es wird die oberflächennahe (0–400 m) und die tiefe Geothermie (> 400 m) unterschieden. Oberflächennahe Geothermie wird zur Wärmeversorgung von Gebäuden eingesetzt. Tiefe Geothermie kommt zur Strom- und Wärmeerzeugung zum Einsatz.
Solartechnik
(2022)
Die Erde ist ein Empfänger für kosmische Strahlungen. Sie empfängt nur einen winzigen Bruchteil der von der Sonne ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung. Dieser Bruchteil ist im Wesentlichen bestimmt durch den Abstand zwischen Sonne und Erde und durch das Verhältnis der Durchmesser von Erde und Sonne. Außerhalb der Erdatmosphäre, also extraterrestrisch, werden vom World Radiation Center WRC je Quadratmeter horizontaler Empfängerfläche 1,367 kW/m2 ± 1 % konstant über das gesamte Jahr gemessen.
Wasserkraftwerke
(2022)
Die Wasserkraft ist global die bedeutendste erneuerbare Energiequelle zur Stromerzeugung. Sie hat in Deutschland allerdings einen stagnierenden Anteil von nur ca. 3,5 % der gesamten Stromerzeugung. In Deutschland wurde die Wasserkraft bei der Stromerzeugung durch die Windkraft, Photovoltaik und sogar von der Biomassevergasung überholt. Die Wasserkraft ist allerdings eine gut berechenbare Energiequelle und unterliegt nicht den nur kurzfristig vorhersehbaren Schwankungen der Wind- und Solarenergien.
Die thermischen Wirkungsgrade von Kraftwerken zur Stromerzeugung sind relativ gering. Beispielsweise erreichen moderne Kohlekraftwerke heute bis etwa 45 %, Gasturbinen maximal 40 % sowie Diesel-und Gas-Motoren bis ca. 50 %. Kombinations-Kraftwerke, d. h. Gas- und Dampfturbinen-Prozesse, können über 60 % thermischen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der zugeführten Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie erzielen. Ein ähnlich hoher Wert wird in Zukunft von den Brennstoffzellen erwartet. Der nicht in Arbeit umgewandelte Anteil der zugeführten Wärme fällt als Abwärme an und geht ungenutzt in die Umgebung. Ein Teil dieser Abwärme lässt sich durch entsprechende Installationen bei allen Kraftwerksprozessen zur Wassererwärmung oder zur Dampferzeugung für industrielle Zwecke nutzen. Für Heiz- und Prozesswärme genügt eine Temperatur der Abwärme von 60 bis 80 °C, während die Erzeugung von Industriedampf deutlich höhere Temperaturen voraussetzt.
Kolbenmotoren finden in der Energieversorgung vielfältig Verwendung als Notstromaggregate, als Antrieb für Pumpen in Großkraftwerken und in dezentralen Blockheizkraftwerken (BHKW). Motoren für Notstromaggregate und zum Antrieb von Arbeitsmaschinen werden meist mit Diesel-Kraftstoff betrieben. In BHKW dominieren Gasmotoren, wobei Erdgas, Bio-, Deponie- oder Klärgas bevorzugt sind. Die wesentliche Thermodynamik der Otto-, Diesel- und Stirling-Motoren wird in Kürze behandelt, während die Gasmotoren tiefere Behandlung finden. Die Motoren für die Energieversorgung stammen i. Allg. von mobilen Anwendungen ab und werden an die energietechnischen Anwendungen angepasst. Technische Details der Motoren sind in der Fachliteratur zu finden, z. B. [1]. Die Website [2] gibt einen umfassenden Überblick über Hersteller und deren Kolbenmotoren.
Kombinationskraftwerke
(2022)
Gasturbinen-Kraftwerke
(2022)
Das Wort Gasturbine rührt nicht vom Brennstoff her, der gasförmig, flüssig oder sogar fest sein kann, sondern vom gasförmigen Arbeitsmedium, das bei üblichen offenen Gasturbinen Luft und nach der inneren Verbrennung Luft-Rauchgas ist. Der Brennstoff wird dem angesaugten Arbeitsmedium Luft zugeführt, so dass eine innere Verbrennung stattfindet. Das Abgas wird bei den üblichen offenen Gasturbinen in die Atmosphäre abgegeben.
Unter fossilen Energieträgern verstehen sich energie- und kohlenstoffhaltige Stoffe, die in mehreren Millionen Jahren aus Biomassen unter dafür günstigen Bedingungen (Sauerstoffausschluss) gebildet wurden. Das geologische Alter von Steinkohle beträgt über 250 Millionen Jahre, das von Braunkohle ca. 50 Millionen. Derzeit werden deutlich mehr fossile Energieträger verbraucht als nachgebildet. Während in Deutschland die Stilllegung von Dampfkraftwerken, die mit Steinkohle befeuert werden, begonnen hat, steigt global der Verbrauch dieser Brennstoffe weiterhin an. Die Steinkohleförderung erreichte im Jahr 2019 weltweit den Wert von 7,3 Milliarden Tonnen, mit einer Steigerung von immerhin fast 3 % gegenüber dem Vorjahr 2018 nach [1]. Dieser Anstieg erfolgte hauptsächlich in China und Indonesien – in Deutschland ging der Kohleverbrauch in diesem Zeitraum zurück.
Energietechnik
(2022)
Dieses Lehrbuch vermittelt ein grundlegendes, dennoch kurz gefasstes Verständnis für die Zusammenhänge der Energieumwandlungsprozesse und umfasst dabei die gesamte Bandbreite der Energietechnik. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der konventionellen und vor allem nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energiespeicherung, Energieverteilung und abschließend zu einem Abriss der Globalen Erwärmung mit zugehöriger Klimapolitik.
In der aktuellen Auflage wurden mehrere Kapitel von neuen Autoren überarbeitet und teils grundlegend neu verfasst. Die aktuellen politischen Änderungen wurden u. a. in den verschiedenen Kapiteln der erneuerbaren Techniken, der Energieverteilung sowie der Marktliberalisierung und Energiewende durch sorgfältige Überarbeitungen eingebracht.
During the coronavirus crisis, labs had to be offered in digital form in mechanical engineering at short notice. For this purpose, digital twins of more complex test benches in the field of fluid energy machines were used in the mechanical engineering course, with which the students were able to interact remotely to obtain measurement data. The concept of the respective lab was revised with regard to its implementation as a remote laboratory. Fortunately, real-world labs were able to be fully replaced by remote labs. Student perceptions of remote labs were mostly positive. This paper explains the concept and design of the digital twins and the lab as well as the layout, procedure, and finally the results of the accompanying evaluation. However, the implementation of the digital twins to date does not yet include features which address the tactile experience of working in real-world labs.
Konzeption und Evaluierung eines Trainings-Windkanals für den spezifischen Einsatz im Skisprung
(2022)
To achieve Germany's climate targets, the industrial sector, among others, must be transformed. The decarbonization of industry through the electrification of heating processes is a promising option. In order to investigate this transformation in energy system models, high-resolution temporal demand profiles of the heat and electricity applications for different industries are required. This paper presents a method for generating synthetic electricity and heat load profiles for 14 industry types. Using this methodology, annual profiles with a 15-minute resolution can be generated for both energy demands. First, daily profiles for the electricity demand were generated for 4 different production days. These daily profiles are additionally subdivided into eight end-use application categories. Finally, white noise is applied to the profile of the mechanical drives. The heat profile is similar to the electrical but is subdivided into four temperature ranges and the two applications hot water and space heating. The space heating application is additionally adjusted to the average monthly outdoor temperature. Both time series were generated for the analysis of an electrification of industrial heat application in energy system modelling.
The contribution of the RoofKIT student team to the SDE 21/22 competition is the extension of an existing café in Wuppertal, Germany, to create new functions and living space for the building with simultaneous energetic upgrading. A demonstration unit is built representing a small cut-out of this extension. The developed energy concept was thoroughly simulated by the student team in seminars using Modelica. The system uses mainly solar energy via PVT collectors as the heat source for a brine-water heat pump (space heating and hot water). Energy storage (thermal and electrical) is installed to decouple generation and consumption. Simulation results confirm that carbon neutrality is achieved for the building operation, consuming and generating around 60 kWh/m2a.
In this work, time-independent and time-dependent plasticity models are presented that are well suited for the calculation of stresses and strains with the finite-element method to assess the low-cycle and thermomechanical fatigue life of engineering components. The focus are plasticity models that are available in finite-element programs nowadays as standard material models and describe isotropic and kinematic hardening, strain-rate dependency as well as static recovery of hardening. For the presented models, aspects relevant for the application of the models are addressed as the determination of the material properties and the numerical implementation. Nevertheless, the plasticity models are also embedded in the thermodynamic framework used for the derivation of thermodynamically consistent plasticity models. Only uniaxial formulations are used to achieve a good readability and preventing the use of tensors.
Peer-to-peer energy trading and local electricity markets have been widely discussed as new options for the transformation of the energy system from the traditional centralized scheme to the novel decentralized one. Moreover, it has also been proposed as a more favourable alternative for already expiring feed in tariff policies that promote investment in renewable energy sources. Peer-to-peer energy trading is usually defined as the integration of several innovative technologies, that enable both prosumers and consumers to trade electricity, without intermediaries, at a consented price. Furthermore, the techno-economic aspects go hand in hand with the socio-economic aspects, which represent at the end significant barriers that need to be tackled to reach a higher impact on current power systems. Applying a qualitative analysis, two scalable peer-to-peer concepts are presented in this study and the possible participant´s entry probability into such concepts. Results show that consumers with a preference for environmental aspects have in general a higher willingness to participate in peer-to-peer energy trading. Moreover, battery storage systems are a key technology that could elevate the entry probability of prosumers into a peer-to-peer market.
Auswirkung eines Importstopps russischer Energieträger auf die Klimaschutzziele in Deutschland
(2022)
Ein Importstopp russischer Energieträger nach Deutschland wird derzeit vermehrt diskutiert. Wir wollen die Diskussion unterstützen, indem wir einen Weg zeigen, wie das Elektrizitätssystem in Deutschland kurzfristig mit geringen Energieimporten auskommt und welche Maßnahmen notwendig sind, um die Klimaschutzziele trotzdem einzuhalten. Die Ergebnisse eines solchen Energiewendeszenarios mit reduzierter Importabhängigkeit werden mit dem Energiesystemmodell MyPyPSA-Ger berechnet. Die wichtigsten Erkenntnisse sind, dass ein zügiger Ausbau Erneuerbarer Energien und von Speichertechnologien • die Abhängigkeit des deutschen Elektrizitätssystems von Energieimporten deutlich reduziert. • auch langfristig keine wesentlichen Importe der Energieträger Erdgas, Steinkohle und Mineralöl nach sich zieht. • über die Klimaziele der Bundesregierung hinaus das 1,5-Grad-Ziel im Elektrizitätssystem erreicht wird.
This paper will introduce the open-source model MyPyPSA-Ger, a myopic optimization model developed to represent the German energy system with a detailed mapping of the electricity sector, on a highly disaggregated level, spatially and temporally, with regional differences and investment limitations. Furthermore, this paper will give new outlooks on the German federal government 2050 emissions goals of the electricity sector to become greenhouse gas neutral by proposing new CO2 allowance strategies. Moreover, the regional differences in Germany will be discussed, their role and impact on the energy transition, and which regions and states will drive the renewable energy utilization forward.
Following a scenario-based analysis, the results point out the major keystones of the energy transition path from 2020 to 2050. Solar, onshore wind, and gas-fired power plants will play a fundamental role in the future electricity systems. Biomass, run of river, and offshore wind technologies will be utilized in the system as base-load generation technologies. Solar and onshore wind will be installed almost everywhere in Germany. However, due to the nature of Germany’s weather and geographical features, the southern and northern regions will play a more important role in the energy transition.
Higher CO2 allowance costs will help achieve the 1.5-degree-target of the electricity system and will allow for a rapid transition. Moreover, the more expensive, and the earlier the CO2 tax is applied to the system, the less it will cost for the energy transition, and the more emissions will be saved throughout the transition period. An earlier phase-out of coal power plants is not necessary with high CO2 taxes, due to the change in power plant’s unit commitment, as they prioritize gas before coal power plants. Having moderate to low CO2 allowance cost or no clear transition policy will be more expensive and the CO2 budget will be exceeded. Nonetheless, even with no policy, renewables still dominate the energy mix of the future.
However, maintaining the maximum historical installation rates of both national and regional levels, with the current emissions reduction strategy, will not be enough to reach the level of climate-neutral electricity system. Therefore, national and regional installation requirements to achieve the federal government emission reduction goals are determined. Energy strategies and decision makers will have to resolve great challenges in order to stay in line with the 1.5-degree-target.
Linear acceleration is a key performance determinant and major training component of many sports. Although extensive research about lower limb kinetics and kinematics is available, consistent definitions of distinctive key body positions, the underlying mechanisms and their related movement strategies are lacking. The aim of this ‘Method and Theoretical Perspective’ article is to introduce a conceptual framework which classifies the sagittal plane ‘shin roll’ motion during accelerated sprinting. By emphasising the importance of the shin segment’s orientation in space, four distinctive key positions are presented (‘shin block’, ‘touchdown’, ‘heel lock’ and ‘propulsion pose’), which are linked by a progressive ‘shin roll’ motion during swing-stance transition. The shin’s downward tilt is driven by three different movement strategies (‘shin alignment’, ‘horizontal ankle rocker’ and ‘shin drop’). The tilt’s optimal amount and timing will contribute to a mechanically efficient acceleration via timely staggered proximal-to-distal power output. Empirical data obtained from athletes of different performance levels and sporting backgrounds are required to verify the feasibility of this concept. The framework presented here should facilitate future biomechanical analyses and may enable coaches and practitioners to develop specific training programs and feedback strategies to provide athletes with a more efficient acceleration technique.
Anterior cruciate ligament (ACL) ruptures are frequent in the age group of 15–19 years, particularly for female athletes. Although injury-prevention programs effectively reduce severe knee injuries, little is known about the underlying mechanisms and changes of biomechanical risk factors. Thus, this study analyzes the effects of a neuromuscular injury-prevention program on biomechanical parameters associated with ACL injuries in elite youth female handball players. In a nonrandomized, controlled intervention study, 19 players allocated to control (n = 12) and intervention (n = 7) group were investigated for single- and double-leg landings as well as unanticipated side-cutting maneuvers before and after a 12-week study period. The lower-extremity motion of the athletes was captured using a three-dimensional motion capture system consisting of 12 infrared cameras. A lower-body marker set of 40 markers together with a rigid body model, including a forefoot, rearfoot, shank, thigh, and pelvis segment in combination with two force plates was used to determine knee joint angles, resultant external joint moments, and vertical ground reaction forces. The two groups did not differ significantly during pretesting. Only the intervention group showed significant improvements in the initial knee abduction angle during single leg landing (p = 0.038: d = 0.518), knee flexion moment during double-leg landings (p = 0.011; d = −1.086), knee abduction moment during single (p = 0.036; d = 0.585) and double-leg landing (p = 0.006; d = 0.944) and side-cutting (p = 0.015;d = 0.561) as well as vertical ground reaction force during double-leg landing (p = 0.004; d = 1.482). Control group demonstrated no significant changes in kinematics and kinetics. However, at postintervention both groups were not significantly different in any of the biomechanical outcomes except for the normalized knee flexion moment of the dominant leg during single-leg landing. This study provides first indications that the implementation of a training intervention with specific neuromuscular exercises has positive impacts on biomechanical risk factors associated with ACL injury risk and, therefore, may help prevent severe knee injuries in elite youth female handball players.
In this project, different calcification methods for collagen and collagen coatings were compared in terms of their applicability for 3D printing and production of collagen-coated scaffolds. For this purpose, scaffolds were printed from polycaprolactone PCL using the EnvisionTec 3D Bioplotter and then coated with collagen. Four different coating methods were then applied: hydroxyapatite (HA) powder directly in the collagen coating, incubation in 10× SBF, coating with alkaline phosphatase (ALP), and coating with poly-L-aspartic acid. The results were compared by ESEM, µCT, TEM, and EDX. HA directly in the collagen solution resulted in a pH change and thus an increase in viscosity, leading to clumping on the scaffolds. As a function of incubation time in 10× SBF as well as in ALP, HA layer thickness increased, while no coating on the collagen layer was apparently observed with poly-L-aspartic acid. Only ultrathin sections and TEM with SuperEDX detected nano crystalline HA in the collagen layer. Exclusively the incubation in poly-L-aspartic acid led to HA crystals within the collagen coating compared to all other methods where the HA layers formed in different forms only at the collagen layer.
Nowadays decarbonisation of the energy system is one of the main concerns for most governments. Renewable energy technologies, such as rooftop photovoltaic systems and home battery storage systems, are changing the energy system to be more decentralised. As a consequence, new ways of energy business models are emerging, e.g., peer-to-peer energy trading. This new concept provides an online marketplace where direct energy exchange can occur between its participants. The purpose of this study is to conduct a content analysis of the existing literature, ongoing research projects, and companies related to peer-to-peer energy trading. From this review, a summary of the most important aspects and journal papers is assessed, discussed, and classified. It was found that the different energy market types were named in various ways and a proposal for standard language for the several peer-to-peer market types and the different actors involved is suggested. Additionally, by grouping the most important attributes from peer-to-peer energy trading projects, an assessment of the entry barrier and scalability potential is performed by using a characterisation matrix.
In this paper, the influence of the material hardening behavior on plasticity-induced fatigue crack closure is investigated for strain-controlled loading and fully plastic, large-scale yielding conditions by means of the finite element method. The strain amplitude and the strain ratio are varied for given Ramberg–Osgood material properties representing materials with different hardening behavior. The results show a pronounced influence of the hardening behavior on crack closure, while no significant effect is found from the considered strain amplitude and strain ratio. The effect of the hardening behavior on the crack opening stress cannot be described by existing crack opening stress equations.
In this paper, the effect of the polycrystalline microstructure on crack-tip opening displacement and crack closure is investigated for microstructural short plane strain fatigue cracks using the finite-element method. To this end, cracks are introduced in synthetically generated microstructures and the grain properties are described using a single crystal plasticity model with kinematic hardening. Additionally, finite-element calculations without resolved microstructure and von Mises plasticity with kinematic hardening are performed. Fully-reversed strain-controlled cyclic loadings are considered under large-scale yielding conditions as typical for low-cycle fatigue problems. The crack opening stress and the cyclic crack-tip opening displacement are significantly influenced by the local grain structure. While the stabilized crack opening stresses obtained with the microstructure-based finite-element model are in good accordance with the von Mises plasticity results, the differences in the cyclic crack opening displacement are addressed to the asymmetric plastic strain fields in the plastic wake behind the crack-tip of the microstructure-based model. The asymmetric plastic strain fields result in discontinuous and premature contact of the crack flanks.
Da Perturbationen die Hauptursache für Stürze in der Ebene darstellen, befasst sich diese Studie mit der Erzeugung von Gangstörungen unter sicheren Laborbedingungen. Dies hat sich als nützliches Werkzeug im Bereich der Rehabilitation bewährt. Zunächst wurde ein Perturbationstest auf einem instrumentierten Laufband unter Verwendung von Matlab entwickelt. Anschließend wird dieser auf die Präzision und Wiederholbarkeit evaluiert. Hierfür wurden die Parameter Auslöseverzögerung, maximale Laufbandgeschwindigkeit und Abweichung der zu störenden Schritte untersucht sowie der Einfluss der Faktoren Plot, Ganggeschwindigkeit und Perturbationsintensität auf die Parameter bestimmt. Die Auslöseverzögerung liegt bei 0,24 ± 0,004 s und wird maßgeblich von dem Faktor Plot beeinflusst. Die maximale Laufbandgeschwindigkeit liegt bei 3,10 ± 0,03 m/s und wird signifikant von dem Faktor Störungsintensität beeinflusst. Die Abweichung der Schritte beträgt 3,9 ± 3,6 Schritte und wird stark von dem Faktor Plot beeinflusst. Die erreichten Werte sind für Studien mit normalen Ganggeschwindigkeiten und mittlerer Perturbationsintensität ausreichend. Für höhere Belastungen ist eine Überarbeitung des Matlab-Skripts erforderlich.
Non-contact anterior cruciate ligament injuries typically occur during cutting maneuvers and are associated with high peak knee abduction moments (KAM) within early stance. To screen athletes for injury risk or quantify the efficacy of prevention programs, it may be necessary to design tasks that mimic game situations. Thus, this study compared KAMs and ranking consistency of female handball players in three sport-specific fake-and-cut tasks of increasing complexity. The biomechanics of female handball players (n = 51, mean ± SD: 66.9 ± 7.8 kg, 1.74 ± 0.06 m, 19.2 ± 3.4 years) were recorded with a 3D motion capture system and force plates during three standardized fake-and-cut tasks. Task 1 was designed as a simple pre-planned cut, task 2 included catching a ball before a pre-planned cut in front of a static defender, and task 3 was designed as an unanticipated cut with three dynamic defenders involved. Inverse dynamics were used to calculate peak KAM within the first 100 ms of stance. KAM was decomposed into the frontal plane knee joint moment arm and resultant ground reaction force. RANOVAs (α ≤ 0.05) were used to reveal differences in the KAM magnitudes, moment arm, and resultant ground reaction force for the three tasks. Spearman's rank correlations were calculated to test the ranking consistency of the athletes' KAMs. There was a significant task main effect on KAM (p = 0.02; ηp2 = 0.13). The KAM in the two complex tasks was significantly higher (task 2: 1.73 Nm/kg; task 3: 1.64 Nm/kg) than the KAM in the simplest task (task 1: 1.52 Nm/kg). The ranking of the peak KAM was consistent regardless of the task complexity. Comparing tasks 1 and 2, an increase in KAM resulted from an increased frontal plane moment arm. Comparing tasks 1 and 3, higher KAM in task 3 resulted from an interplay between both moment arm and the resultant ground reaction force. In contrast to previous studies, unanticipated cutting maneuvers did not produce the highest KAMs. These findings indicate that the players have developed an automated sport-specific cutting technique that is utilized in both pre-planned and unanticipated fake-and-cut tasks.
Lithium-ion batteries show strongly nonlinear behaviour regarding the battery current and state of charge. Therefore, the modelling of lithium-ion batteries is complex. Combining physical and data-driven models in a grey-box model can simplify the modelling. Our focus is on using neural networks, especially neural ordinary differential equations, for grey-box modelling of lithium-ion batteries. A simple equivalent circuit model serves as a basis for the grey-box model. Unknown parameters and dependencies are then replaced by learnable parameters and neural networks. We use experimental full-cycle data and data from pulse tests of a lithium iron phosphate cell to train the model. Finally, we test the model against two dynamic load profiles: one consisting of half cycles and one dynamic load profile representing a home-storage system. The dynamic response of the battery is well captured by the model.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Durchführung einer Stadtklimasimulation vom Campus Offenburg. Um die Simulation auf Plausibilität überprüfen zu können, werden zudem Mikroklimamessungen vom Offenburger Campus durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation sollten im Anschluss mit den Messergebnissen verglichen werden.
Für die Durchführung der Stadtklimasimulation sowie der Mikroklimamessung werden zunächst verschiedene Vorbereitungen getroffen. Für die Stadtklimasimulation müssen im wesentlichen zwei Dateien vorbereitet werden. Eine Datei enthält Informationen zur Topologie, während die andere Datei Informationen zur Initialisierung der Simulation beinhaltet. Um den Rechenaufwand der Simulation gering halten zu können, müssen verschiedene Vereinfachungen getroffen werden. Für die Mikroklimamessung muss ein Messsystem entwickelt werden, welches sich aus stationären sowie mobilen Temperaturmessungen zusammensetzt. Für die stationäre Temperaturmessung werden Sensoren, verteilt über den ganzen Campus, platziert. Bei der mobilen Messung kommt eine Messvorrichtung mit GPS System, welches auf einem Fahrrad aufgebaut wird, zum Einsatz. Für Innenraum-temperaturen stehen fest installierte Sensoren zur Verfügung.
Der Vergleich zwischen Simulation und Messung zeigt auf, dass die Außentemperaturen der Simulation zu hoch sind. Die simulierten Temperaturdifferenzen können unter Berücksichtigung der getroffenen Vereinfachungen plausibilisiert werden. Die simulierten Innenraumtemperaturen weisen große Unterschiede im Vergleich zu den Messungen auf. Dies kann auf die getroffenen Vereinfachungen bei der Simulation zurückgeführt werden. Der Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass Anpassungen in der Simulation erforderlich sind.
Diese Bachelorarbeit behandelt die Konstruktion eines Vakuumtisches, welcher zum Fixieren dünner, flexibler Materialien in Lasermaschinen verwendet wird. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der methodischen Konstruktion des Vakuumtisches, welche anhand einer detaillierten Anforderungsliste erfolgt. Es wird eine Konzeptidee ausgearbeitet, welche den preislichen Rahmen nicht einhalten kann. Durch Vereinfachung der in der Baugruppe enthaltenen Komponenten wie auch der physikalischen Wirkprinzipien in der Baugruppe kann in einem zweiten Konzept eine deutlich preiswertere Konstruktion realisiert werden. Anhand eines Prototypen wird die Funktion und das Verhalten des Vakuumtisches erprobt und bewertet.
The present document is aimed to propose a suitable thermal model for the cooling down process of a one piston air cooled reciprocating compressor. In order to achieve this, a thermographic camera is used to record the temperature of different measuring points throughout different operating conditions. This data is later analyzed, with statistical tools and graphical visualization. The thermal phenomena present in the thermal process is characterized according to the compressors' geometry. Finally, using the analysis and taking into consideration the thermal phenomena the optimal thermal model is selected. This paper belongs to a bigger project and the last step is to simulate the compressor and the accuracy of the proposed model.
Die hohen Produktionskosten verhindern derzeit weitere industrielle Anwendungen des Rührreibschweißens (engl. friction stir welding, FSW), selbst wenn eine deutlich höhere Ermüdungsfestigkeit der Verbindungen im Vergleich zum konventionellen Lichtbogenschweißen erreicht werden kann. Eine höhere Schweißgeschwindigkeit kann zwar die Kosten senken, wirkt sich aber negativ auf die Ermüdungsfestigkeit der FSW-Verbindungen aus. Als mögliche Lösung wurde das hydrostatische Festwalzen angewandt, um die Ermüdungsfestigkeit artgleicher und ungleicher FSW-Verbindungen aus den Legierungen EN AW 5083 und EN AW 6082 zu verbessern, die mit unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten hergestellt wurden. Zusätzlich wurde die Ermüdungsfestigkeit direkt mit konventionell durch Metall-Inertgasschweißen (MIG) hergestellten Verbindungen und mit Grundwerkstoffproben aus EN AW 5083 verglichen. Die Oberflächenbeschaffenheit im geschweißten Zustand wurde durch Messungen der Oberflächenrauigkeit und der Eigenspannung charakterisiert. Ermüdungsversuche wurden durchgeführt, um die Ermüdungsfestigkeit der Verbindungen zu quantifizieren. Nach dem Festwalzen wurden ähnliche Druckeigenspannungen für artgleiche und ungleiche Verbindungen ermittelt. Für festgewalzte artgleiche Verbindungen aus EN AW 5083 wurde keine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit festgestellt. In diesem Zustand lag die Ermüdungslebensdauer der Probe jedoch im Bereich des Grundmaterials. Somit wurde eine signifikant niedrigere Ermüdungslebensdauer und eine hohe Verbesserung der Ermüdungslebensdauer durch Festwalzen für ungleiche Verbindungen erreicht. Eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/min auf 800 mm/min verringerte die Ermüdungsfestigkeit von Mischschweißverbindungen in diesem Fall stark.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Ermüdungs- und Schädigungsverhalten der in Verbrennungsmotoren eingesetzten Aluminiumgusslegierungen AlSi7Cu0,5Mg-T7 und AlSi12Cu3Ni2Mg-T7. Im Vergleich zur niederzyklischen sowie thermomechanischen Ermüdungsbeanspruchung führt die zusätzliche Überlagerung hochzyklischer Belastungen zu einer signifikanten Lebensdauerreduktion, die mit der Replika-Technik beobachteten Beschleunigung des Kurzrisswachstums erklärt werden kann. Frakto- und metallographische Untersuchungen zeigen, dass Rissinitiierung und Lebensdauerverhalten durch Gussdefekte sowie von belastungs- und temperaturabhängigen Schädigungsmechanismen bestimmt werden. Die Lebensdauern werden mit einem mechanismenbasierten Risswachstumsmodell vorhergesagt. Dazu wird der Schädigungsparameter DTMF,brittle entwickelt, der die charakteristischen Schädigungsmechanismen berücksichtigt. Die Legierung AlSi12Cu3Ni2Mg-T7 wird abschließend mit der Finite-Elemente-Methode und mikrostrukturbasierten Zellmodellen untersucht. Mit den Simulationsergebnissen können die experimentell beobachteten Schädigungsmechanismen fundiert gestützt werden.
Der "Return to run" (RTR) ist in der Rehabilitationsphase nach der Ruptur des vorderen Kreuzbandes ein entscheidender Moment für den Patienten. Die Kriterien von RTR sind aktuell jedoch noch vielfältig. Die Evaluierungsmöglichkeiten, die den Physiotherapeuten zur Verfügung stehen, sind nicht immer bekannt.
Das Ziel dieser Arbeit ist Messmethoden und -geräte vorzustellen, die für den Alltag einer physiotherapeutischen Praxis einfach anwendbar sind. Diese Messgeräte sollen die drei Gütekriterien (Validität, Reliabilität und Objektivität) der wissenschaftlichen Forschung erfüllen.
In diesem Sinne wurde eine Literaturrecherche durchgeführt. In diesem Systematic Review wurden Querschnittsstudien, Kohortenstudien und Literaturübersichten berücksichtigt. Insgesamt wurden 33 Studien (18 über die Kraftuntersuchung, 5 über die sensomotorische Untersuchung, 3 über die Laufanalyse und 7 über die Sprunganalyse) in der Studie eingeschlossen. Die Messgeräte, die in der Studie gefunden wurden, haben eine Validität mit einem Evidenzgrad von Moderat bis sehr gut. Sowohl die Inter- als auch die Intrareliabilität besitzen einen Evidenzgrad von gut bis sehr gut.
Alternativen zu den Gold Standards existieren. Sie stellen jedoch noch nicht eine perfekte Validität im Vergleich zu den Gold Standards dar. Allerdings ist sich die Mehrheit der Wissenschaftler darüber einig, dass diese Alternativen im Alltag gut anwendbar sind. In der zukünftigen Entwicklung dieser Messgeräte soll noch mehr Wert auf die absolute Validität gelegt werden.
In dieser Abschlussarbeit wurden die vorgenommen Ziele seitens der Projektaufgabe im Rahmen der Bachelor-Thesis erfüllt. Hierbei wurde der Ist-Zustand des UniAuSter´s aufgenommen und technisch hinterfragt. Zusätzlich wurden die Grenzen der mechanischen Lösung aufgezeigt und mögliche Ursachen erläutert.
Des Weiteren konnten auf Grundlage der Berechnungen die Taktzeiten bestimmt und daraufhin über die Recherche eine Auswahl des Magnetventils getroffen werden, welches den zuvor ermittelten Anforderungen entspricht. Diese sind zum einen die einfache Anpassung der Taktgeschwindigkeit über eine Maschinensteuerung und die Möglichkeit, bis zu 30.000 Flaschen pro Stunde auszuschleusen.
Der vorgegebene maximale Bauraum, wurde trotz zusätzlich erforderlichen Komponenten nicht überschritten. Hierbei wurden Lösungen in der elektrischen sowie der pneumatischen Versorgung entwickelt. Weiterführend kann durch den Ringverteiler eine optimale Druckluftversorgung durch den integrierten Druckregler realisiert werden, Er ist durch seine Konstruktionsweise für die Anlage kein Störfaktor, sondern dient zusätzlich als Verschlauchungsführung.
Für den weiteren Verlauf des Projekts werden die konstruierten Komponenten weiter ausgearbeitet und die noch nicht vorhandenen technischen Zeichnungen erstellt . Zusätzlich wird eine endgültige Lösung für die Signalverarbeitung der Magnetventile über eine elektrische Drehdurchführung entwickelt. Um die gesamte Konstruktion auf ihre Funktion prüfen zu können, wird von der Hochschule Offenburg zusammen mit dem Projektpartner Kematec, ein Prototyp in naher Zukunft erstellt.
Aufgrund der Beliebtheit des Laufsports herrscht in der biomechanischen Forschung ein großes Interesse, die Laufbewegung zu erforschen. Ein Gold-Standard der biomechanischen Laufanalyse konnte jedoch bisher noch nicht gefunden werden. Zumeist werden markerbasierte Systeme verwendet, welche die Kinematik des Laufens durch aufgeklebte Marker bestimmen. Diese bringen jedoch einige Fehlerquellen mit sich und benötigen einen hohen zeitlichen und organisatorischen Aufwand. Seit Kurzem werden auf dem Markt auch markerlose Softwares angeboten, welche über eine Videoanalyse die Kinematik des Laufens bestimmen können.
Da dieses markerlose System bisher nur wenig angewendet wird, kann in der vorhandenen wissenschaftlichen Literatur aktuell nur wenig über den Vergleich der beiden Systeme herausgefunden werden. Ein Großteil der Berichte stammt von den Herstellern der markerlosen Softwares. Diese bieten zudem selten eine Aussage über die Vergleichbarkeit ihrer Werte mit den Werten von markerbasierten Systemen.
Das Ziel dieser Thesis ist daher ein Vergleich von einem markerbasierten mit einem markerlosen System anhand einer Laufbandanalyse. Getestet wurde dabei vor allem, ob und inwiefern die Systeme einen Unterschied in der Laufkinematik durch eine Schuhmodifikation erkennen können. Dazu wird der Fokus auf die Rückfuß-Eversion gelegt, da diese laut der vorhandenen Literatur einen signifikanten Faktor in der Laufkinematik darstellt.
Elf Proband:Innen (sechs männliche und fünf weibliche) wurden untersucht: Sie haben mit drei verschiedenen Schuhbedingungen jeweils einen circa einminütigen Trial auf dem Laufband bei einer Geschwindigkeit von 2,5 msˉ abgeschlossen. Dabei wurden ihnen Marker an 22 anatomischen Landmarken aufgeklebt. Während dieses Trials wurden Sie gleichzeitig von Infrarot-Kameras und normalen Video-Kameras gefilmt, um den Vergleich der identischen Schritte zu ermöglichen. Im Anschluss wurden bei der Bearbeitung der Daten Grafiken zu den Gelenkwinkelverläufen der Hüftgelenks-, Kniegelenks- und Rückfuß-Bewegungen in allen drei Körperebenen erstellt. Die Rückfuß-Eversion wurde im Detail betrachtet und statistisch mittels einer zweifaktoriellen repeated Measures ANOVA auf Haupteffekte untersucht.
Als Ergebnis zeigen sich einige Unterschiede in den Gelenkwinkelverläufen zwischen markerbasiertem und markerlosem System. Der markerbasierte Ansatz misst größere Flexionen in der Sagittalebene, wohingegen sich in Frontal- und Transversalebene teilweise systematisch verschiedene Winkelverläufe zeigen. Unter der Prämisse, dass das Offset beachtet wird, können die Ergebnisse der Sagittalebene verglichen werden. Die Ergebnisse in Bezug auf die Frontalund Transversalebene sind hingegen kaum vergleichbar und führen nicht zu übereinstimmenden Interpretationen. Für die Rückfuß-Eversion zeigt das markerlose System ein Offset, sowie neutralere Winkelverläufe, dennoch ist ein Vergleich interpretatorisch möglich. Auch die Ergebnisse zwischen den Schuhbedingungen sind hier zwischen beiden Systemen interpretatorisch gleich und führen zu den gleichen Schlussfolgerungen. Statistisch tritt ein Haupteffekt sowohl durch Schuhintervention, als auch durch das System auf, womit bestätigt wird, dass ein direkter Vergleich der Werte nicht möglich ist.
Die Schuhmodifikation zeigt bei beiden Systemen, dass eine laterale Lagerung zu einer verstärkten Rückfuß-Eversion führt, während eine mediale Lagerung des Schuhs zu einer verringerten Rückfuß-Eversion führt.
Einleitung: Nach einer Verletzung oder Operation ist die Rehabilitation und das eigenständige Training entscheidend für die Wiederherstellung der Funktion und Unabhängigkeit. Für eine höhere Trainingsadhärenz wurde der auf Inertialsensoren basierende digitale Trainingsassistent re.flex (Kineto Tech Rehab SRL, Bukarest, Rumänien) entwickelt, der Gelenkwinkel messen und visuell darstellen kann. Eine Smartphone App dient als Therapieanleitung. Durch die Kombination des re.flexSystems mit einer Knieorthese, wurde die Genudyn® OA smart (Sporlastic GmbH, Nürtingen, Deutschland) entwickelt, ein digitales Behandlungskonzept bei Gonarthrose. Damit haben Patient:innen die Möglichkeit eigenständig ein 12-wöchiges individuelles Trainingsprogramm mit integriertem Echtzeit-Biofeedback zu absolvieren. In der vorliegenden Arbeit soll die Messgenauigkeit des re.flexSystems evaluiert und mögliche Einflussgrößen erfasst werden.
Methoden: Die Messergebnisse des re.flex-Systems wurden mit einem 3D MotionCapture-System von Vicon (Vicon, Oxford, England) als Referenz verglichen. In vier Durchgängen wurden jeweils fünf therapeutische Übungen durchgeführt, bei denen Knie- und Hüftwinkel gemessen wurden. Für die Erfassung möglicher Einflussgrößen wurden Messungen nur mit den Sensoren am Bein, mit Knieorthese, mit 1cm und 3cm senkrechter Verschiebung eines Sensors durchgeführt und kleinere mit größeren Oberschenkelumfängen verglichen. Für die statistische Analyse wurde der RMSE und ICC berechnet und Bland-Altman-Plots erstellt.
Ergebnisse: Der ICC aus der ROM lieferte Werte von 0,26 - 0,82, aus den Maxima 0,01 – 0,82. Der RMSE reichte von 6,53° - 15,39°. Kniewinkel und Hüftflexion lieferten die besten Ergebnisse, Hüftabduktion mittelmäßige und Hüftextension die schlechtesten. Die Bland-Altman-Plots zeigten wenige Ausreißer. Die Knieorthese und das Weichteilgewebe zeigten einen negativen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Die Verschiebung des Sensors hatte keinen Einfluss.
Schlussfolgerung: Da besonders die Kniegelenkwinkelmessungen, auf denen der Fokus für das Behandlungskonzept bei Kniearthrose liegt, hohe Genauigkeiten erzielten, konnte der digitale Trainingsassistent re.flex in der vorliegenden Arbeit als Therapiehilfsmittel überzeugen.
Im Fokus dieser Arbeit steht die Analyse der mechanischen Eigenschaften von Gitterstrukturen. Die Gitterstrukturen werden aus einem niedrig legierten Stahl und mit Hilfe des L-PBF-Verfahrens gefertigt. Ein Teil der Gitterstrukturen wird im Prozess durch eine Doppelbelichtung wärmebehandelt. In einer weiteren Versuchsreihe wird die in-Situ-Wärmebehandlung nur lokal an Strebenelementen angewandt. Die Werkstoffeigenschaften der Gitterelemente werden durch die Methoden Dichtemessung und Härteprüfung charakterisiert sowie mit Hilfe der Elektronenrückstreubeugung metallografische untersucht. In dem Versuchsspektrum werden die Strebenwinkel, von 35° bis 60° und die Strebendurchmesser von 0,5 mm bis 2,25 mm variiert. Hierbei wird untersucht, ob sich die Werkstoffeigenschaften verändern.
In dieser Arbeit wird eine relative Dichte von über 99,7 % bei den Gitterstrukturen erreicht. Im Vergleich zu den einfachbelichteten Gitterelementen wird durch die in-Situ-Wärmebehandlung die Makrohärte signifikant gesteigert. Im Versuchsspektrum werden durch die Variation der Geometrie keine signifikanten Veränderungen der Makrohärte und der Mikrotextur des Gefüges festgestellt. Im Randbereich der Streben wird eine Reduzierung der Härte von bis zu 250 HV0,1 beobachtet. Eine messbare Veränderung der Mikrotextur ergibt sich nicht. Als Grund sind Anlasseffekte wahrscheinlich, welche bei der metallografischen Untersuchung im Randbereich festgestellt werden.