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The research employed HPTLC Pro System and other HPTLC instruments from CAMAG® to conduct various laboratory tests, aiming to compile a database for subsequent analyses. Utilizing MATLAB, distinct codes were developed to reveal patterns within analyzed biomasses and pyrolysis oils (sewage sludge, fermentation residue, paper sludge, and wood). Through meticulous visual and numerical analysis, shared characteristics among different biomasses and their respective pyrolysis oils were revealed, showcasing close similarities within each category. Notably, minimal disparity was observed in fermentation residue and wood biomasses with a similarity coefficient of 0.22. Similarly, for pyrolysis oils, the minimal disparity was found in fermentation residues 1 and 3, with a disparity coefficient of 1.41. Despite higher disparity coefficients in certain results, specific biomasses and pyrolysis oils, such as fermentation residue and sewage sludge, exhibited close similarities, with disparity coefficients of 0.18 and 0.55, respectively. The database, derived from triplicate experimentation, now serves as a valuable resource for rapid analysis of newly acquired raw materials. Additionally, the utility of HPTLC PRO as an investigation tool, enabling simultaneous analysis of up to five samples, was emphasized, although areas for improvement in derivatization methods were identified.
In a randomized controlled cross-over study ten male runners (26.7 ± 4.9 years; recent 5-km time: 18:37 ± 1:07 min:s) performed an incremental treadmill test (ITT) and a 3-km time trial (3-km TT) on a treadmill while wearing either carbon fiber insoles with downwards curvature or insoles made of butyl rubber (control condition) in light road racing shoes (Saucony Fastwitch 9). Oxygen uptake, respiratory exchange ratio, heart rate, blood lactate concentration, stride frequency, stride length and time to exhaustion were assessed during ITT. After ITT, all runners rated their perceived exertion, perceived shoe comfort and perceived shoe performance. Running time, heart rate, blood lactate levels, stride frequency and stride length were recorded during, and shoe comfort and shoe performance after, the 3-km TT. All parameters obtained during or after the ITT did not differ between the two conditions [range: p = 0.188 to 0.948 (alpha value: 0.05); Cohen's d = 0.021 to 0.479] despite the rating of shoe comfort showing better scores for the control insoles (p = 0.001; d = −1.646). All parameters during and after the 3-km TT showed no differences (p = 0.200 to 1.000; d = 0.000 to 0.501) between both conditions except for shoe comfort showing better scores for control insoles (p = 0.017; d = −0.919). Running with carbon fiber insoles with downwards curvature did not change running performance or any submaximal or maximal physiological or biomechanical parameter and perceived exertion compared to control condition. Shoe comfort is impaired while running with carbon fiber insoles. Wearing carbon fiber insoles with downwards curvature during treadmill running is not beneficial when compared to running with control insoles.
The interest of scientists to study motion sequences exists in the fields of sports science, clinical analysis and computer animation for quite some time. While in the last decades mainly markerbased motion capture systems have been used to evaluate movements, the interest in markerless systems is growing more and more. Nevertheless, in the field of clinical analysis, markerless methods have not yet proven their value, partly due to a lack of studies evaluating the quality of the obtained data. Therefore, this study aims to validate two markerless motion capture softwares from Simi Reality Motion Systems. The software Simi Shape, which is a mixture of traditional image-based tracking supported by an artificial intelligence net (AI net), and the software Crush, that uses a completely AI-based method. For this purpose, all motion data was recorded with two in-house motion capture systems. One system for recording the movements for a markerbased evaluation as gold standard and one system for markerless tracking. Within a laboratory environment, eight cameras per system were mounted around the area of motion. By placing two cameras in the same position and using the same calibration, deviations in the image data between those for markerbased and markerless tracking were extremely minimal. Based on this data, markerbased tracking was performed using the Simi Motion program, markerless tracking was performed using the Simi Shape software system and the latest software from Simi Reality Motion Systems, Crush. When comparing the markerless data with the markerbased data, an average root mean square error of 0,038 m was calculated for Simi Shape and a deviation of 0,037 m for Crush. In a direct comparison of the two markerless systems, a root mean square error of 0,019 m was scored. Based on these data, conclusions could be drawn about the accuracies of the two markerless systems. The obtained kinematic data of the tracking are in the range of high accuracy, which is limited to a deviation of less than 0,05 m according to the literature.
Endress+Hauser Liquid Analysis ist ein erfolgreiches Entwicklungsunternehmen im Bereich der Flüssigkeitsanalyse für Prozesse und Labore. Mit voranschreitender Digitalisierung soll auch das Produktportfolio weiter digitalisiert werden. Ziel dieser Arbeit ist es den Entwicklungsprozess von Endress+Hauser Liquid Analysis auf die Eignung zur Entwicklung digitaler Produkte zu untersuchen. Zur Beantwortung der Fragestellung werden sowohl Literatur als auch mehrere Experten aus dem Fachgebiet zur Rate gezogen. In der Auswertung wird der aktuelle Prozess bewertet und ein geeignetes Prozessmodell für das Unternehmen dargestellt. Das empfohlene Modell wird exemplarisch anhand eines Beispielprojekts aufgezeigt. In einem abschließenden Fazit werden Ergebnisse und Erkenntnisse zusammengetragen.
Proteine spielen eine entscheidende Rolle im Stoffwechsel aller Lebewesen. Für die Lebensmittelindustrie sind die Grundbausteine der Proteine, besonders interessant, da sie den Geschmack von Lebensmitteln stark beeinflussen können, oder sich in Form von Supplementen als Nahrungsergänzungsmittel für Sportler eignen. Zur Gewinnung dieser Aminosäuren werden unteranderem Aminopeptidasen verwendet. In dieser Arbeit wurden fünf fungale Aminopeptidasen Pep 1 aus Aspergillus turcosus, Pep 4 aus Aspergillus thermomutatus, Pep 6 aus Coccidioides posadasii C735 delta SOWgp, Pep 7 aus Trichophyton interdigitale H6 und Pep 8 aus Onygena corvina in Pichia pastoris rekombinant exprimiert, mittels Ultrafiltration aufkonzentriert und biochemisch charakterisiert. Die Aminopeptidasen aus Aspergillus turcosus (Pep 1), Aspergillus thermomutatus (Pep 4) und Trichophyton interdigitale H6 (Pep 7) hatten ihr pH-Optimum bei pH 9, während die Aminopeptidasen aus Coccidioides posadasii C735 delta SOWgp (Pep 6) und Onygena corvina (Pep 8) bei pH 8,5 die höchste Aktivität aufwiesen. Die Temperaturoptima lagen bei 60 °C (Pep 1 und Pep 6) und 50 °C (Pep 4, Pep 7 und Pep 8) und alle waren zwischen 45 und 55 °C für 15 Minuten temperaturstabil. Die Aminopeptidasen hatten nach der Deglykosilierung ein Molekulargewicht von 57 (Pep 1), 52 (Pep 4 und Pep 7), 54 (Pep 6) und 53 kDA (Pep 8). Mit Leu-pNA als Substrat zeigten die fungalen Aminopeptidasen maximale spezifische Umsatzgeschwindigkeiten von 357 (Pep 1), 238 (Pep 4), 2000 (Pep 6), 56 (Pep 7) und 476 nkat/g (Pep 8). Pep 1 wurde am stärksten positiv von Bivalenten Ionen wie Mg2+, Co2+, Mn2+ und Ca2+ beeinflusst, in Gegenwart von 0,1 mM Mg2+ konnte eine relative Enzymaktivität von 345 % im Vergleich zum Referenzwert gemessen werden. Bei den anderen Aminopeptidasen konnten inhibitorische Effekte festgestellt werden. Bie allen fungalen Aminopeptidasen bei der Hydrolyse von vorhydrolysiertem Gluten die Freisetzung von Aminogruppen festgestellt werden, somit eignen sich die Aminopeptidasen in Kombination mit Endopeptidasen zur Hydrolyse von Proteingemischen. Bei der Hydrolyse konnte zudem die Freisetzung von Glutamin durch das L-Glutamine/Ammonia Assay Kit (Rapid) von Megazyme nachgewiesen werden.
Increasing global energy demand and the need to transition to sustainable energy sources to mitigate climate change, highlights the need for innovative approaches to improve the resilience and sustainability of power grids. This study focuses on addressing these challenges in the context of Morocco's evolving energy landscape, where increasing energy demand and efforts to integrate renewable energy require grid reinforcement strategies. Using renewable energy sources such as photovoltaic systems and energy storage technologies, this study aims to develop a methodology for strengthening rural community grids in Morocco.
Traditional reinforcement measures such as line and transformer upgrades will be investigated as well as the integration of power generation from photovoltaic systems, which offer a promising way to utilise Morocco's abundant solar resources. In addition, energy storage systems will be analysed as potential solutions to the challenges of grid stability and resilience. Using comprehensive data analysis, scenario planning and simulation methods with the open-source simulation software Panda Power, this study aims to assess the impact of different grid reinforcement measures, including conventional methods, photovoltaic integration, and the use of energy storage, on grid performance and sustainability. The results of this study provide valuable insights into the challenges and opportunities of transitioning to a more resilient and sustainable energy future in Morocco.
Based on a rural medium-voltage grid in Souihla, Morocco, three scenarios were carried out to assess the impact of demand growth in 2030 and 2040. The first scenario focuses on conventional grid reinforcement measures, while the second scenario incorporates energy from residential photovoltaic systems. The third scenario analyses the integration of storage systems and their impact on grid reinforcement in 2030.
The simulations with energy from photovoltaic systems show a reduction in grid reinforcement measures compared to the scenario without solar energy. In addition, the introduction of a storage system in 2030 led to a significant reduction in the required installed transformer capacity and fewer congested lines. Furthermore, the results emphasized the role of storage in stabilizing grid voltage levels.
In summary, the results highlighted the potential benefits of integrating energy from photovoltaics and storage into the grid. This integration not only reduces the need for transformers and overall grid infrastructure but also promotes a more efficient and sustainable energy system.
Diese Arbeit befasst sich mit dem Thema der sogenannten „Advanced-Spike-Technology“. Dabei wird ein fortschrittliches Vorfußdämpfungselement betrachtet, dessen Kompressionssteifigkeit variiert wird. Die Technik soll die Sprint-Spikes maßgeblich verbessern. Die Arbeit untersucht, ob die Variation der Kompressionssteifig-keit der Sprint-Spikes einen Einfluss auf die sportliche Leistungsfähigkeit beim Sprinten hat. Es werden drei Prototypen von Adidas getestet, die jeweils unterschiedliche Steifigkeiten im Vorfußbereich aufweisen (hart, mittel und weich). Das Ziel besteht darin, die Auswirkungen der Variation der Kompressionssteifigkeit auf den Start bis 10 Meter und den Sprint auf etwa 50 bis 60 Meter zu untersuchen. Dabei werden die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Körperschwerpunktes in Matlab R2023b berechnet. Anhand der Ergebnisse wird die Fragestellung beantwortet. Zu Beginn werden folgende Hypothesen aufgestellt: Die Variation der Kompressionssteifigkeit hat keinen signifikanten Einfluss auf die sportliche Leistungsfähigkeit. Allerdings können individuelle Präferenzen der Sportler*innen in Bezug auf die Steifigkeit der Spikes berücksichtigt werden.
Die Untersuchung wird am Advanced Motion Lab in Offenburg (AMLO) der Hochschule Offenburg durchgeführt. Die Messung erfolgt auf einer Tartanbahn, wobei Kraftmessplatten im Bodenbelag integriert sind, um die Bodenreaktionskräfte beim Fußaussatz zu messen. Zusätzlich werden acht High-Speed-Videokameras eingesetzt, um die Sprintbewegung mittels markerlosem 3D-Motion-Capturing aufzuzeichnen. Es werden 30 Proband*innen getestet, davon 20 männliche und 10 weibliche Teilnehmer*innen, die eine saisonale persönliche Bestleistung von 12,5 Sekunden beziehungsweise 13,5 Sekunden über 100 Meter besitzen. Außerdem dürfen die Proband*innen in den letzten sechs Monaten keine kardiovaskulären Einschränkungen oder Verletzungen aufgewiesen haben. Nach Unterzeichnung der Einverständniserklärung und einem kurzen individuellen Warm-up wird die Kalibrierung der verwendeten Software beziehungsweise Messgeräte durchgeführt. Anschließend beginnt die eigentliche Messung. Pro Person werden jeweils mindestens zwei gültige Starts und ein gültiger maximaler Sprint pro Schuhbedingung durchgeführt. Die Pausengestaltung zwischen den einzelnen Messungen wird individuell gewählt, um Ermüdung zu vermeiden. Nach der Durchführung erfolgt die Auswertung und Verarbeitung der Daten durch das Programm Theia Markerless.
Zu Beginn wird die Berechnung in Matlab realisiert. Der erste allgemeine Schritt in der Berechnung des Startes und Sprints ist identisch. Die verarbeiteten Daten aus Theia werden unter Einsatz einer Funktion eingelesen. Diese Funktion durchläuft eine Ordnerstruktur, die zuvor manuell erstellt werden muss und die die einzelnen Daten der Proband*innen beinhaltet.
Um den Start berechnen zu können, müssen zunächst die Daten der vertikalen Bodenreaktionskraft umgerechnet werden. Daraufhin folgt eine Filterung der vertikalen Bodenreaktionskraft mit einer Schwelle von -3 Newton, da um die Nulllinie ein Rauschen vorliegen kann. Die Daten unterhalb dieser Schwelle entsprechen denen des Fußaufsatzes der Kraftmessplatte. Im Anschluss werden die Indizes unterhalb der Schwelle identifiziert. Auch die Daten des Körperschwerpunktes müssen gefiltert werden, da ungültige Datenauswertungen in Theia für den Wert des Körperschwerpunktes -999999 annehmen. Um diese Daten zu eliminieren, wird eine Schwelle von -100 eingeführt. Daraufhin folgt die Zuordnung der Indizes der Bodenreaktionskraft zu den Werten des Körperschwerpunktes und die Extraktion der Daten des Körperschwerpunktes. Im nächsten Schritt werden die Geschwindigkeit und die Beschleunigung anhand der internen Funktion „gradient“ berechnet. Weiterführend folgt die Berechnung der minimalen, mittleren und maximalen Werte der Geschwindigkeit und Beschleunigung. Letztendlich werden die Parameter als Excel-Datei exportiert, um eine statistische Auswertung durchzuführen.
Der erste Schritt zur Berechnung des maximalen Sprints besteht darin, den Körperschwerpunkt bei der Startfilterung zu identifizieren. Hierbei wird erneut die Schwelle von -100 verwendet und es werden die lokalen Maxima (Höhepunkte) in der Sagittalebene des Körperschwerpunkts identifiziert. Das Ziel ist es, die Daten zwischen zwei Maxima zu extrahieren, was genau einem Schritt entspricht. Es wird eine Mindestsuchhöhe für die Maxima festgelegt. Der Code unterscheidet zwischen den Fällen, in denen ein, zwei, drei oder vier und mehr Maxima gefunden werden. Des Weiteren werden verschiedene Abfragen und Unterscheidungen durchgeführt, um die beiden besten Maxima zu ermitteln. Danach werden die Indizes im Intervall von Maxima zu Maxima identifiziert und dem Körperschwerpunkt zugeordnet. Im Folgenden werden die Geschwindigkeitsberechnungen mithilfe der Funktion „gradient“ sowie die minimalen, mittleren und maximalen Geschwindigkeiten dargestellt. Abschließend erfolgt der Export der Parameter für die statistische Auswertung.
Nachfolgend wird die Leistungsfähigkeit der erstellten Programme in Matlab manuell überprüft. Beim Start und Sprint ergibt sich eine Genauigkeit von 98,89 und 96,66 %. Dies ermöglicht eine präzise statistische Auswertung, die im Programm „Jasp“ durchgeführt wird. Es wird eine einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) mit Messwiederholung angewendet, wobei einige Voraussetzungen erfüllt sein müssen. Es lässt sich feststellen, dass die Variation der Kompressionssteifigkeit keinen signifikanten Einfluss auf die Geschwindigkeit oder Beschleunigung hat. Beim maximalen Sprint ist der Einfluss größer als beim Start, jedoch nicht signifikant. Diese Ergebnisse bestätigen die Hypothese.
Die Beschleunigungsleistung ist ein großer limitierender Faktor beim Sprinten. Es stellt sich die Frage, mit welcher Technik diese verbessert werden kann.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zu klären, ob die Unterschenkelkinematik einen Einfluss auf die Beschleunigungsleistung beim Sprintstart hat. Dafür wurden die Annahmen von Alt et al. (2022) über Schlüsselpositionen des Unterschenkels herangezogen und überprüft. Die gestellte Forschungsfrage lautet: Können die Annahmen von Alt et al. (2022) in die Praxis übertragen und angewendet werden?
Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde jeweils der erste Schritt nach dem Sprintstart aus einem Startblock analysiert. Hierfür wurden ein markerbasiertes 3D Motion Capture System und im Boden integrierte Kraftmessplatten verwendet. Insgesamt 30 Proband:innen haben jeweils sechs Starts ausgeführt. Die Auswertung wurde mit Hilfe von MATLAB Skripten durchgeführt. Mit linearen und quadratischen Regressionsberechnungen wurden die Zusammenhänge zwischen den Schlüsselpositionen des Unterschenkels und der Beschleunigungsleistung analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass keine allgemeingültigen Aussagen über eine erfolgreiche Unterschenkelkinematik getroffen werden können. Werden die Proband:innen aber individuell betrachtet, ist teilweise zu erkennen, dass die Beschleunigungsleistung mit der Unterschenkelkinematik zusammenhängt.
Weiterführende Forschung in diesem Bereich könnte individueller und auf Trainingsanweisungen mit Technikverbesserung ausgerichtet sein.
Diese Arbeit widmet sich dem Anleger der aktuellen Maschinengeneration der HEIDELBERG Speedmaster XL 106, diese erreicht eine maximale Druckgeschwindigkeit von 21 000 bedruckten Bögen pro Stunde (Bg/h) und stößt bei einer Bedruckstoffdicke von 0,6 mm an ihre technischen Grenzen. Ein vollautomatisierter Auto-Non-Stopp-Wechsel (ANS-Wechsel) zur Gewährleistung einer kontinuierlichen Bedruckstoffzufuhr an der Druckmaschine ist bei maximaler Druckgeschwindigkeit von 21 000 Bg/h oberhalb dieser Bedruckstoffdicke nicht mehr möglich. Es besteht die Forderung nach höheren Bedruckstoffdicken bei unverändert maximaler Druckgeschwindigkeit von 21 000 Bg/h und gleichzeitiger Gewährleistung eines sicheren ANS-Wechselvorgangs.
Im Zuge dieser Arbeit wird durch eine Analyse zahlreicher Kundenmaschinen eine präzise Zielsetzung definiert. Eine eingehende Untersuchung des vollautomatischen ANS-Wechselvorgangs zur kontinuierlichen Bedruckstoffversorgung der Druckmaschine folgt. Dieser Wechselprozess wird im Laufe der Arbeit in seine Einflussfaktoren aufgeschlüsselt, die anschließend schrittweise und methodisch bezüglich der Zielsetzung definiert werden. Dabei wird der technische Grenzbereich des aktuellen Systems identifiziert und erweitert. Als Ergebnis gilt es, die betroffenen Komponenten erneut auf ihre Auslegung zu überprüfen, da sie aufgrund dieses erweiterten Grenzbereichs möglicherweise höheren Belastungen ausgesetzt sind. Die Untersuchung zeigt, dass es Situationen gibt, in denen sicherheitsrelevante Komponenten unzulässig stark beansprucht werden. Daher werden Lösungskonzepte vorgestellt, um die geforderten technischen Grenzen und sicherheitstechnischen Anforderungen zu erfüllen.
Entwicklung eines Ansatzes zur Validierung von Beckenmodellen in Anlehnung an die ASME V&V-40
(2024)
Die Relevanz von In-silico Studien in der Medizin gewinnt für Ingenieure, Mediziner und Wissenschaftler stetig an Wert. In-silico Studien helfen dabei, kostspielige und zeitaufwendige Kadaverstudien sowie langjährige Ergebnisstudien einzugrenzen. Zum Thema Becken herrschen schon einige Berechnungsmodelle vor, jedoch nicht in dieser Ausführung und in Kombination mit einem Abgleich zu einer Kadaverstudie mit den gleichen Randbedingungen. Ein sehr wichtiger weiterer Bestandteil ist die Verifizierung und Validierung eines solchen Rechenmodells. Da kein Versuch im eigentlichen Raum, dem Körper, sondern in einer Simulationsumgebung stattfindet, muss das Modell verifiziert und validiert werden, um auf gewisse Weise die Glaubwürdigkeit des Modells darzulegen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze zur bestmöglichen Abbildung der Kadaverstudie entwickelt. Die beste Übereinstimmung kam mit dem Modellansatz 3 zustande. Der Modellansatz 3 berücksichtigt die Unterteilung von der Spongiosa zur Kortikalis, die Lendenwirbel L3-L5, das Sacrum und die Ilia zuzüglich der Bandscheiben und der Symphysis pubica mit einem hyperelastischen Materialmodell, alle relevanten Ligamente sowie die verschiedenen Materialeigenschaften für jede einzelne Kortikalis, Spongiosa und der Weichteile aus der Kadaverstudie. Definiert wurde der Modellansatz 3 über die kinematisch nähere Beschreibung der Z-Achsen Sperrung, einer veränderten Krafteinleitung sowie einer Feinjustierung der Ligamenten Steifigkeiten. Aus diesem Modellansatz ging vor allem eine physiologische Kinematik wie auch eine überaus gute Konvergenz an den Markern der Anterior superior iliac spine rechts und links, Sacrum und L5 hervor. Die Verifizierung und Validierung des Rechenmodells wurde anhand der ASME V&V-40 geschaffen. Die dafür entscheidende Question of Interest lautet: Liegen die Stabilität, Belastungen und Verformungen von patientenspezifischen Frakturversorgungen unter standardisierten Lasten? Daraus ergaben sich drei Context of Use, von denen der erste (Context of Use 1: Deformation) im Fokus dieser Arbeit lag. Die Entscheidungskonsequenz sowie das Modellrisiko für den Context of Use und das Modell wurde als Low/Medium eingestuft. Mit Hilfe dieser Einstufung konnten die Model Credibility Factor Goals für das Modell definiert werden. Diese gaben schlussendlich den Grad der Validierung für das bestehende Modell vor.
The growing threat posed by multidrug-resistant (MDR) pathogens, such as Klebsiella pneumoniae (Kp), represents a significant challenge in modern medicine. Traditional antibiotic therapies are often ineffective against these pathogens, leading to high mortality rates. MDR Kp infections pose a novel challenge in military medical contexts, particularly in Medical Biodefense, as they can be deliberately spread, leading to resource-intensive care in military centres. Recognizing this issue, the European Defence Agency initiated a prioritised research project in 2023 (EDF Resilience PHAGE- SGA 2023). To address this challenge, the Bundeswehr Institute of Microbiology (IMB) leads BMBF- (Federal Ministry of Education and Research) and EU-funded projects on the use of bacteriophages as adjuvant therapy alongside antibiotics. Since 2017, the IMB has isolated and characterised Kp phages, collecting over 600 isolates and optimizing their production for therapy, in compliance with the EMA (European Medicine Agency) guidelines. This involves in vitro phage genome packaging to minimize endotoxin load, reduce manufacturing costs, and shorten production times. The goal of this work was to establish MinION sequencing (Oxford Nanopore Technology) as a quick and reliable way for initial identification and characterisation of phage genomes. Especially as a quick screening method for isolated on Kp, prior to more precise but also more expensive and time consuming sequencing methods like Illumina. This characterisation is crucial for developing a personalized pipeline aimed at producing magistral or Good Manufacturing Practice (GMP) quality medicinal phage solutions tailored individually for each patient. DNA extraction methods were compared to identify suitable input DNA for sequencing purposes. Additionally, the quality of this DNA was as- sessed to determine its suitability for in vitro phage packaging, which was successfully done achieving a phage titer of 103, confirming that the DNA used for MinION sequencing could indeed be used for acellular packaging. The created genomes were annotated and compared with Illumina sequencing, revealing high similarity in all five individually tested cases. Between the generated sequences only a 4% maximal percentual difference in genome size was observed, while simultaneously showing high similarity in the actual sequence. Throughout the course of this study, a total of 645.15 GB of sequencing data were generated. In total, 38 phages were successfully characterised, with 21 phage genomes assembled and annotated, and saved in the IMB database.
Entwicklung eines unabhängigen Systems zur Verstellung schiebergesteuerter Werkzeuge im Prozess
(2024)
Die Aufgabenstellung der Arbeit beinhaltete das Ausarbeiten eines unabhängigen Antriebssystems für Werkzeuge mit verstellbaren Schneiden. Hierbei bestand der Antrieb der Werkzeuge bisher aus einem rein mechanischen Anstriebsflansch. Dieser hat durch eine Drehspindel die rotatorische Bewegung der Maschinenspindel zu einer axialen Bewegung der Zugstange umgewandelt. Da die mechanische Drehspindel nicht in jeder Maschinenspindel vorhanden war, konnten die Werkzeuge von LMT Kieninger nur beschränkt eingesetzt werden. Aus diesem Grund sollte ein Antriebssystem entwickelt werden, welches auf jedem Bearbeitungszentrum unabhängig von der Maschinenspindeltechnologie eingesetzt werden konnte.
Für die Entwicklung des unabhängigen Antriebsflansches wurde zunächst eine Marktanalyse durchgeführt. Diese vergleichte bestehende Lösungsansätze auf dem Markt miteinander und untersuchte, welche davon für ein eigenes Lösungskonzept infrage kam. Hierbei wurde insbesondere der Antrieb, der die Bewegung erzeugen sollte, die Übergabe des Steuersignals und die Energieversorgung betrachtet. Ein vielversprechendes Lösungskonzept, das den vorliegenden Anforderungen entsprach, war eine elektrische Antriebsvariante mit einer Akkueinheit und einer Funksteuerung.
Um die elektronischen Komponenten in den bestehenden Antriebsflansch zu integrieren, mussten die Prozessparameter bestimmt werden. Dafür wurde ein Werkzeug als Referenz verwendet, das zum Ausspindeln der Laufflächen von Zylinderbuchsen verwendet wurde. In diesem Werkzeug befanden sich unterschiedliche Bauteile, welche den Mechanismus der Schneidenverschleißkompensation ermöglichten und die Drehbewegung des Antriebsflansches in den Verstellweg der Schneiden umsetzte. Unter Berücksichtigung der Bauteile sowie der vorhandenen Reibung und Verluste ergab sich ein Drehmoment, welches benötigt wurde, um die Schneiden zu verstellen. Nach der rechnerischen Ermittlung des benötigten Drehmoments konnte ein Kompaktantrieb von Maxon vorgeschlagen werden. Dies erfolgte unter Berücksichtigung der Anforderungen an den verfügbaren Bauraum, die Energieversorgung und die Akkueinheit. Dieser Kompaktantrieb bestand aus einem Motor, einem Planetenradgetriebe, einem Hall-Sensor zur Positionsbestimmung sowie einer Steuereinheit.
Die Konstruktion mit den einzelnen Bauteilen konnte nun erstellt werden. Der Konstruktionsprozess wurde durch die schrittweise und aufbauende Integration der Lösungen für die verschiedenen Funktionen des Bauteils systematisch und methodisch umgesetzt. Dabei erfolgte die Umsetzung in einem Modell, wobei jeder Schritt auf den vorherigen Überlegungen und Entscheidungen basierte. Der erste Schritt bestand darin, den Kompaktantrieb, der die Hauptfunktion darstellt, in den Grundkörper mit der HSK-Aufnahme zu integrieren. Anschließend wurden die Nebenfunktionen wie die axiale Lagerung, die Kühlmitteldurchführung und die Anpassung der Flanschgeometrie zur Aufnahme des Werkzeuges implementiert. Im nächsten Schritt wurden die Steuerung und die Akkueinheit als Blackbox positioniert sowie die Kabelkanäle in den Grundkörper konstruiert.
Abschließend wurden für die eigens entwickelten Bauteile technische Zeichnungen erstellt. Auf ihnen wurden alle relevanten technischen Merkmale hinterlegt, die für die Fertigung der Bauteile benötigt wurden. Hierzu gehörten beispielsweise Angaben zum Werkstoff, Toleranzen, Passungen, Oberflächenangaben sowie Form- und Lagetoleranzen. Zudem wurde eine Baugruppenzeichnung erstellt, die die Anordnung der einzelnen Bauteile mit ihrer Stückzahl und Positionsnummer in einer Stückliste klar und deutlich erkennbar machte.
Damit wurde die Neuentwicklung eines unabhängigen Antriebsflansches abgeschlossen und bot einen Einblick in die mögliche Integration eines mechatronischen Antriebs in den Antriebsflansch.
Diese Bachelorarbeit hat sich ausführlich mit der Erstellung von Sicherheitskonzepten und der damit einhergehenden Erstellung einer Risikobeurteilung beschäftigt.
Dabei wurde festgestellt, dass eine besonders große Gefahr des Werkzeugwechselsystems durch die Gefährdung des herabfallenden Werkzeuges entsteht. Zum einen kann dies durch das Aufkommen eines Energie- bzw. Druckverlust entstehen. Dieses Risko wird durch den Einsatz einer bewährten Feder und einer selbsthemmenden Keilverbindung zwischen Verriegelungskolben und -bolzen vermindert.
Zum anderen kann durch Steuerungs- oder Programmierfehler das Werkzeugwechselsystem an nicht vorgesehener Stelle geöffnet werden und sich Fest- und Losteil trennen. Die dadurch entstehende Gefahr eines Herabfallenden Werkzeuges wird von einer steuerungsabhängigen Schutzmaßnahme verhindert, welche über eine genaue Positionsabfrage vor dem gefahrbringenden Szenario schützen sollen.
Hierbei sind verschiedene Konzepte ausgearbeitet worden, welche das von der Risikobeurteilung geforderte erforderliche PLr d erfüllen. Für die Konzepte wurden verschiedene berührungslose Sensoren und Sicherheitsschalter ausgesucht und ein Ventilschaltplan für die Erfüllung der Sicherheitsfunktion erstellt.
Auch andere Gefährdungen werden mithilfe der Anwendung von Normen, den Einsatz von inhärent sicheren Konstruktionen, technische/ergänzende Schutzmaßnahme oder Benutzerinformationen ausreichend vermindert.
Mithilfe einer weiteren Abschlussarbeit werden diese Sicherheitskonzepte und die damit einhergehende Risikobeurteilung überprüft und validiert. Hierfür wird die Norm DIN EN ISO 13849-2 verwendet.
Steroid hormones (SHs) are a rising concern due to their high bioactivity, ubiquitous nature, and prolonged existence as a micropollutants in water, they pose a potential risk to both human health and the environment, even at low concentrations. Estrogens, progesterone, and testosterone are the three important types of steroids essential for human development and maintaining multiorgan balance, are focus to this concern. These steroid hormones originate
from various sources, including human and livestock excretions, veterinary medications, agricultural runoff, and pharmaceuticals, contributing to their presence in the environment. According to the recommendation of WHO, the guidance value for estradiol (E2) is 1 ng/L. There are several methods been attempted to remove the SH micropollutant by conventional water and wastewater technologies which are still under research. Among the various methods, electrochemical membrane reactor (EMR) is one of the emerging technologies that can address the challenge of insufficient SHs removal from the aquatic environment by conventional treatment. The degradation of SHs can be significantly influenced by various factors when treated with EMR.
In this project, the removal of SH and the important mechanism for the removal using carbon nanotube CNT-EMR is studied and the efficiency of CNT-EMR in treating the SH micropollutant is identified. By varying different parameters this experiment is carried out with the (PES-CNTs) ultrafiltration membrane. The study is carried out depending upon the SH removal based on the limiting factor such as cell voltage, flux, temperature, concentration, and type of the SH.
Batteries typically consist of multiple individual cells connected in series. Here we demonstrate single-cell state of charge (SOC) and state of health (SOH) diagnosis in a 24 V class lithium-ion battery. To this goal, we introduce and apply a novel, highly efficient algorithm based on a voltage-controlled model (VCM). The battery, consisting of eight single cells, is cycled over a duration of five months under a simple cycling protocol between 20 % and 100 % SOC. The cell-to-cell standard deviations obtained with the novel algorithm were 1.25 SOC-% and 1.07 SOH-% at beginning of cycling. A cell-averaged capacity loss of 9.9 % after five months cycling was observed. While the accuracy of single-cell SOC estimation was limited (probably owed to the flat voltage characteristics of the lithium iron phosphate, LFP, chemistry investigated here), single-cell SOH estimation showed a high accuracy (2.09 SOH-% mean absolute error compared to laboratory reference tests). Because the algorithm does not require observers, filters, or neural networks, it is computationally very efficient (three seconds analysis time for the complete data set consisting of eight cells with approx. 780.000 measurement points per cell).
Weg- und Winkelsensoren
(2014)
Weg- und Winkelaufnehmer werden überall dort benötigt wo veränderliche Positionen, (Abstände, Längen oder Winkel) erfasst werden müssen, um entweder als reiner Messwert ausgegeben zu werden oder in einem Regelkreis zumeist die Regelgröße als Messwert zur Verfügung zu stellen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen berührenden (tastenden) und berührungslosen Aufnehmern. Zu den berührenden Sensoren zählen dabei alle Aufnehmer, die ein spezielles Messobjekt als Weg- oder Winkelvermittler benötigen, das während der Messung fest mit dem eigentlichen Messobjekt verbunden ist. Diese Bezeichnung gilt auch dann, wenn die eigentliche Messung gegen das vermittelnde Objekt im Endeffekt berührungslos erfolgt. Berührungslose Weg- und Winkelaufnehmer können ohne einen solchen Vermittler direkt gegen das zu vermessende Objekt messen.
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: APV and e-tractors as Flexibility Assets
(2023)
This work presents an analysis of the impact of introducing Agrophotovoltaic technologies and electric tractors into Germany’s energy system. Agrophotovoltaics involves installing photovoltaic systems in agricultural areas, allowing for dual usage of the land for both energy generation and food production. Electric tractors, which are agricultural machinery powered by electric motors, can also function as energy storage units, providing flexibility to the grid. The analysis includes a sensitivity study to understand how the availability of agricultural land influences Agrophotovoltaic investments, followed by the examination of various scenarios that involve converting diesel tractors to electric tractors. These scenarios are based on the current CO2 emission reduction targets set by the German Government, aiming for a 65% reduction below 1990 levels by 2030 and achieving zero emissions by 2045. The results indicate that approximately 3% of available agricultural land is necessary to establish a viable energy mix in Germany. Furthermore, the expansion of electric tractors tends to reduce the overall system costs and enhances the energy-cost-efficiency of Agrophotovoltaic investments.
Previous studies of the hyphenation of gas chromatographic separation and spectrophotometric detection in the ultraviolet wavelength range between 168 and 330 nm showed a high potential for applications where the analysis of complex samples is required. Within this paper the development of a state-of-the-art detection system for compounds in the vapour phase is described, offering an improved behaviour compared to previous systems: Dependent on the requirements of established detection systems hyphenated with gas chromatography, the main components of the system have to be designed for optimum performance and reliability of the spectrophotometric detector: A deuterium lamp as a broadband light source has been selected for improved stability in the measurements. A new-type absorption cell based on fiber-optics has been developed considering the dynamic necessary to compete with existing techniques. In addition, the influence of the volume of the cell on the chromatogram needs to be analyzed. Tests for determining the performance of the absorption cell in terms of chemical and thermal influences have been carried out. A new spectrophotometer with adequate spectral resolution in the wavelength range, offering improved stability and dynamic for an efficient use in this application was developed. Furthermore, the influence of each component on the performance, reliability and stability of the sensor system will be discussed. An overview and outlook over the potential applications in the environmental, scientific and medical field will be given.
In thin-layer chromatography, fiber-bundle arrays have been introduced for spectral absorption measurements in the UV-region. Using all-silica fiber bundles, the exciting light will be detected after re-emission on the plate with a fiberoptic spectrometer. In addition, fluorescence light can be detected which will be masked by the re-emitted light. Therefore, it is helpful to separate the absorption and fluorescence on the TLC-plate. A modified three-array assembly has been developed: using one array for detection, the two others are used for excitation with broadband band deuterium-light and with UV-LEDs adjusted to the substances under test. As an example, the quantification of glucosamine in nutritional supplements or spinach leaf extract will be described. Using simply heating of the amino-plate for derivation, the reaction product of Glucosamine can be detected sensitively either by light absorption or by fluorescence, using the new fiber-optic assembly. In addition, the properties of the new 3-row fiber-optic array and the commercially available UV-LEDs will be shown, in the interesting wavelength region for excitation of fluorescence, from 260 nm to 360 nm. The squint angle having an influence on coupling efficiency and spatial resolution will be measured with the inverse farfield method. Some properties of UV-LEDs for analytical applications will be described and discussed, too.
A wet-chemical treatment system for electrochemically coating flat substrates with coating material, has having a basin for receiving an electrolyte, a transporting means, by means of which the flat substrates can be transported through the electrolyte horizontally, and at least one contact element which comprises a shaft having an axis of rotation and a cylindrical circumferential surface suitable for rolling on the substrate, wherein the circumferential surface comprises at least one electrically insulated segment and at least one electrically conductive segment which can be connected to a current source in such a way that the polarity can be reversed, wherein the axis of rotation of the contact element is positioned above the surface of the electrolyte, and wherein the contact element is designed as a consumable electrode.
본 발명은 기판들을 금속화하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 특별히, 본 발명은 습식-화학물질 연속 (인-라인) 처리 시스템 환경에서 솔라 셀들을 전기도금하기 위해 사용되는 컨택 엘리먼트(contact element)들의 분야에 관한 것이다. 코팅 재료로 평평한 기판들(1)들을 전기화학적으로 코팅하기 위한 본 발명에 따른 습식-화학물질 처리 시스템은 전해질 용액, 이송 수단들 - 이송 수단들을 이용하여 평평한 기판(1)이 전해질 용액을 통과하여 수평으로 이송될 수 있는 - 을 수용하는 용기(basin), 및 회전축(5)을 갖는 샤프트(4) 및 기판(1) 위에서 구르기에 적합한 원통형의 원주 표면을 포함하는 적어도 하나의 컨택 엘리먼트(2)를 가지며, 원주 표면은 극성이 역전될 수 있는 방식으로 전류 소스 (6)에 연결될 수 있는 적어도 하나의 전기적으로 전도성인 세그먼트 (3A) 및 적어도 하나의 전기적으로 절연된 세그먼트 (3B)를 포함하고, 컨택 엘리먼트 (2)의 회전축 (5)은 전해질 용액의 표면 위에 위치되고, 컨택 엘리먼트 (2)는 소모 전극(consumable electrode)으로 디자인된다.
The invention relates to a device for metalising substrates. In particular, the invention relates to the field of contact elements used to electroplate solar cells within the context of a wet-chemical continuous treatment system. A wet-chemical treatment system according to the invention, for electrochemically coating flat substrates (1) with coating material, has a tank for accommodating an electrolyte, transporting means, by means of which the flat substrates (1) can be transported through the electrolyte horizontally, and at least one contact element (2), which comprises a shaft (4) having an axis of rotation (5) and a cylindrical circumferential surface suitable for rolling on the substrate (1), wherein the circumferential surface comprises at least one electrically insulating segment (3B) and at least one electrically conductive segment (3A), which can be connected to a current source (6) in such a way that the polarity can be reversed, wherein the axis of rotation (5) of the contact element (2) is positioned above the surface of the electrolyte, and wherein the contact element (2) is designed as a consumable electrode.
Nasschemische Behandlungsanlage zum elektrochemischen Beschichten von flachen Substraten (1) mit Beschichtungsmaterial, mit einem Becken zur Aufnahme eines Elektrolyten, und mit Transportmitteln, mit welchen die flachen Substrate (1) horizontal durch den Elektrolyten transportierbar sind, sowie mit mindestens einem Kontaktelement (2), welches eine Welle (4) mit Drehachse (5) und eine zum Abrollen auf dem Substrat (1) geeignete zylindrische Umfangsfläche aufweist, wobei die Umfangsfläche mindestens ein elektrisch isoliertes Segment (3B) und mindestens ein elektrisch leitendes Segment (3A) umfasst, das mit einer Stromquelle (6) umpolbar verbindbar ist, wobei die Drehachse (5) des Kontaktelements (2) oberhalb der Oberfläche des Elektrolyten positioniert ist, und wobei das Kontaktelement (2) als Verbrauchselektrode ausgestaltet ist.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Metallisieren von Substraten. Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet der zur Galvanisierung von Solarzellen verwendeten Kontaktelemente im Rahmen einer nasschemischen Durchlauf-Behandlungsanlage. Eine erfindungsgemäße nasschemische Behandlungsanlage zum elektrochemischen Beschichten von flachen Substraten (1) mit Beschichtungsmaterial hat ein Becken zur Aufnahme eines Elektrolyten, sowie Transportmittel, mit welchen die flachen Substrate (1) horizontal durch den Elektrolyten transportierbar sind, und mindestens ein Kontaktelement (2), welches eine Welle (4) mit Drehachse (5) und eine zum Abrollen auf dem Substrat (1) geeignete zylindrische Umfangsfläche aufweist, wobei die Umfangsfläche mindestens ein elektrisch isoliertes Segment (3B) und mindestens ein elektrisch leitendes Segment (3A) umfasst, das mit einer Stromquelle (6) umpolbar verbindbar ist, wobei die Drehachse (5) des Kontaktelements (2) oberhalb der Oberfläche des Elektrolyten positioniert ist.
Die Erfindung betrifft das Gebiet des Transports flacher Substrate wie beispielsweise Siliziumsubstrate. Insbesondere betrifft die Erfindung den besonders schonenden und kontinuierlichen Transport solcher Substrate. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Transport eines vertikal ausgerichteten flachen Substrats (1) in eine Transportrichtung innerhalb eines mit einem flüssigen Medium (F) gefüllten Transportkanals (2), wobei das flüssige Medium (F) gegen mindestens eine der Flachseiten des Substrats (1) strömt und eine die Summe aus Gewichts- und Auftriebskraft des Substrats (1) aufhebende Tragekomponente, sowie eine in Transportrichtung gerichtete Vorschubkomponente aufweist, so dass das Substrat (1) ohne mechanische Hilfsmittel getragen und transportiert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Transportkanal (2) zur Aufnahme eines flüssiges Mediums (F) sowie eines innerhalb dieses Mediums (F) in vertikaler Ausrichtung zu führenden Substrats (1), wobei der Transportkanal (2) in seinem Wandbereich (3, 4) Einströmöffnungen (5) aufweist.
Die Erfindung betrifft das Gebiet des Transports flacher Substrate wie beispielsweise Siliziumsubstrate. Insbesondere betrifft die Erfindung den besonders schonenden und kontinuierlichen Transport solcher Substrate. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Transport eines vertikal ausgerichteten flachen Substrats (1) in eine Transportrichtung innerhalb eines mit einem flüssigen Medium (F) gefüllten Transportkanals (2), wobei das flüssige Medium (F) gegen mindestens eine der Flachseiten des Substrats (1) strömt und eine die Summe aus Gewichts- und Auftriebskraft des Substrats (1) aufhebende Tragekomponente, sowie eine in Transportrichtung gerichtete Vorschubkomponente aufweist, so dass das Substrat (1) ohne mechanische Hilfsmittel getragen und transportiert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Transportkanal (2) zur Aufnahme eines flüssiges Mediums (F) sowie eines innerhalb dieses Mediums (F) in vertikaler Ausrichtung zu führenden Substrats (1), wobei der Transportkanal (2) in seinem Wandbereich (3, 4) Einströmöffnungen (5) aufweist.
Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Aktor, insbesondere für einen mobilen Roboter, mit einem geschalteten, zylindrischen Linearreluktanzmotor-Antrieb (21), bestehend aus einem hohlzylindrischen Stator (23), welcher am Innenumfang zwischen umlaufenden Statorzähnen (23a) vorgesehene umlaufende Nuten (23b) aufweist, in welchen Motorwicklungen (27a, 27b, 27c, 27’a, 27’b, 27’c) angeordnet sind, und einem innerhalb des Stators (23) koaxial vorgesehenen zylindrischen oder hohlzylindrischen Translator (25) mit am Außenumfang vorgesehenen, umlaufenden Translatorzähnen (25a), wobei der Stator (23) im Bereich der Statorzähne (23a) und der Translator (25) im Bereich der Translatorzähne (25a) aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Erfindungsgemäß ist der Translator (25) über eine mechanische Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von kinetischer Energie (31) fest oder nur für einen vorbestimmten Bereich eines Bewegungsbereichs des Translators (25) mit dem Stator (25) gekoppelt.
Messschraube zur Ermittlung von Schraubenbelastungen, die einen Schraubenkopf (8) und einen Schraubenschaft (9) mit einem oberen Schaftbereich (7) aufweist, der bei bestimmungsgemäßer Benutzung der Schraube nicht an einem Objekt anliegt, wobei mindestens zwei Dehnungsmesssensoren so im Schraubenschaft (9) angeordnet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft (9) gekoppelt sind, dass sie Dehnungswerte im Schraubenschaft (9) erfassen, aus denen über konstitutive Materialgesetze Belastungen in mehr als einer Achse im oberen Schaftbereich (7) bestimmt werden können, wobei die Dehnungsmesssensoren als faseroptische Sensoren an mehreren Stellen entlang mindestens einer optischen Faser (1) ausgebildet sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messchraube zur Ermittlung von Schraubenbelastungen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Messschraube umfasst mindestens zwei Dehnungsmesssensoren, die so im Schraubenschaft angeordnet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft gekoppelt sind, dass sie Dehnungswerte im Schraubenschaft erfassen, aus denenüber konstitutive Materialgesetze Belastungen in mehr als einer Achse im oberen freien Schaftbereich bestimmt werden können. Durch Möglichkeit der Bestimmung mehrachsiger Belastungen lassen sich Schrauben sachgerechter auslegen, so dass die Gefahr von Schraubenbrüchen reduziert wird.
Variable refrigerant flow (VRF) and variable air volume (VAV) systems are considered among the best heating, ventilation, and air conditioning systems (HVAC) thanks to their ability to provide cooling and heating in different thermal zones of the same building. As well as their ability to recover the heat rejected from spaces requiring cooling and reuse it to heat another space. Nevertheless, at the same time, these systems are considered one of the most energy-consuming systems in the building. So, it is crucial to well size the system according to the building’s cooling and heating needs and the indoor temperature fluctuations. This study aims to compare these two energy systems by conducting an energy model simulation of a real building under a semi-arid climate for cooling and heating periods. The developed building energy model (BEM) was validated and calibrated using measured and simulated indoor air temperature and energy consumption data. The study aims to evaluate the effect of these HVAC systems on energy consumption and the indoor thermal comfort of the building. The numerical model was based on the Energy Plus simulation engine. The approach used in this paper has allowed us to reach significant quantitative energy saving along with a high level of indoor thermal comfort by using the VRF system compared to the VAV system. The findings prove that the VRF system provides 46.18% of the annual total heating energy savings and 6.14% of the annual cooling and ventilation energy savings compared to the VAV system.
During pyrolysis, biomass is carbonised in the absence of oxygen to produce biochar with heat and/or electricity as co-products making pyrolysis one of the promising negative emission technologies to reach climate goals worldwide. This paper presents a simplified representation of pyrolysis and analyses the impact of this technology on the energy system. Results show that the use of pyrolysis can allow getting zero emissions with lower costs by making changes in the unit commitment of the power plants, e.g. conventional power plants are used differently, as the emissions will be compensated by biochar. Additionally, the process of pyrolysis can enhance the flexibility of energy systems, as it shows a correlation between the electricity generated by pyrolysis and the hydrogen installation capacity, being hydrogen used less when pyrolysis appears. The results indicate that pyrolysis, which is available on the market, integrates well into the energy system with a promising potential to sequester carbon.
TRIZ Innovationstechnologie
(2023)
Recent advances in spiked shoe design, characterized by increased longitudinal stiffness, thicker midsole foams, and reconfigured geometry are considered to improve sprint performance. However, so far there is no empirical data on the effects of advanced spikes technology on maximal sprinting speed (MSS) published yet. Consequently, we assessed MSS via ‘flying 30m’ sprints of 44 trained male (PR: 10.32 s - 12.08 s) and female (PR: 11.56 s - 14.18 s) athletes, wearing both traditional and advanced spikes in a randomized, repeated measures design. The results revealed a statistically significant increase in MSS by 1.21% on average when using advanced spikes technology. Notably, 87% of participants showed improved MSS with the use of advanced spikes. A cluster analysis unveiled that athletes with higher MSS may benefit to a greater extent. However, individual responses varied widely, suggesting the influence of multiple factors that need detailed exploration. Therefore, coaches and athletes are advised to interpret the promising performance enhancements cautiously and evaluate the appropriateness of the advanced spike technology for their athletes critically.
High-tech running shoes and spikes ("super-footwear") are currently being debated in sports. There is direct evidence that distance running super shoes improve running economy; however, it is not well established to which extent world-class performances are affected over the range of track and road running events.
This study examined publicly available performance datasets of annual best track and road performances for evidence of potential systematic performance effects following the introduction of super footwear. The analysis was based on the 100 best performances per year for men and women in outdoor events from 2010 to 2022, provided by the world governing body of athletics (World Athletics).
We found evidence of progressing improvements in track and road running performances after the introduction of super distance running shoes in 2016 and super spike technology in 2019. This evidence is more pronounced for distances longer than 1500 m in women and longer than 5000 m in men. Women seem to benefit more from super footwear in distance running events than men.
While the observational study design limits causal inference, this study provides a database on potential systematic performance effects following the introduction of super shoes/spikes in track and road running events in world-class athletes. Further research is needed to examine the underlying mechanisms and, in particular, potential sex differences in the performance effects of super footwear.
As the population grows, so does the amount of biowaste. As demand for energy grows, biogas is a promising solution to the problem. Lignocellulosic materials are challenged of slow degradability due to the presence of polymers such as cellulose, lignin and hemicellulose. There are several pretreatment methods available to enhance the degradability of such materials, including enzymatic pretreatment. In this pretreatment, there are few parameters that can influence the results, the most important being the enzyme to solid ratio and the solid to liquid ratio. During this project, experiments were conducted to determine the optimal conditions for those two factors. It was discovered that a solid to liquid ratio of 31 g of buffer per 1 gram of organic dry matter produced the highest reducing sugar release in flasks when combined with 34 mg of protein per 1 gram of organic dry mass. Additionally, another experiment was carried out to investigate the impact of enzymatic pretreatment on biogas production using artificial biowaste as a substrate. Artificial biowaste produced 577,9 NL/kg oDM, while enzymatically pretreated biowaste produced 639,3 NL/kg oDM. This resulted in a 10,6% rise in cumulative biogas production compared to its use without enzymatic pretreatment. By the conclusion of the investigation, specific cumulative dry methane yields of 364,7 NL/kg oDM and 426,3 NL/kg oDM were obtained from artificial biowaste without and with enzymatic pretreatment, respectively. This resulted in a methane production boost of 16,9%. Additionally in case of the reactors with enzymatically pretreated substrate kinetic constant was lower more than double, where maximum volume of biogas increased, comparing to the reactors without enzymatic pretreatment.
Polyarticulated active prostheses constitute a promising solution for upper limb amputees. The bottleneck for their adoption though, is the lack of intuitive control. In this context, machine learning algorithms based on pattern recognition from electromyographic (EMG) signals represent a great opportunity for naturally operating prosthetic devices, but their performance is strongly affected by the selection of input features. In this study, we investigated different combinations of 13 EMG-derived features obtained from EMG signals of healthy individuals performing upper limb movements and tested their performance for movement classification using an Artificial Neural Network. We found that input data (i.e., the set of input features) can be reduced by more than 50% without any loss in accuracy, while diminishing the computing time required to train the classifier. Our results indicate that input features must be properly selected in order to optimize prosthetic control.
The main focus of this chapter is the theoretical and instrumental processes that underpin densitometric methods widely used in thin-layer chromatography (TLC). Densitometric methods include UV–vis, luminescence and fluorescence optical measurements as well as infrared and Raman spectroscopic measurements. The chapter is divided in two general parts: a theoretical part and a practical part. The systems for direct radioactivity measurements and the combination of TLC with mass spectrometry are also discussed. All these systems allow measuring an intensity distribution directly on a TLC plate. We call this “in situ detection” because no analyte is removed from the plate.
The main focus of this chapter is the theoretical and instrumental processes that underpin densitometric methods widely used in thin-layer chromatography (TLC). Densitometric methods include UV–vis, luminescence, and fluorescence optical measurements as well as infrared and Raman spectroscopic measurements. The chapter is divided in two general parts: a theoretical part and a practical part. The systems for direct radioactivity measurements and the combination of TLC with mass spectrometry are also discussed. All these systems allow measuring an intensity distribution directly on a TLC plate. We call this “in situ detection” because no analyte is removed from the plate.
Recently, photovoltaic (PV) with energy storage systems (ESS) have been widely adopted in buildings to overcome growing power demands and earn financial benefits. The overall energy cost can be optimized by combining a well-sized hybrid PV/ESS system with an efficient energy management system (EMS). Generally, EMS is implemented within the overall functions of the Building Automation System (BAS). However, due to its limited computing resources, BAS cannot handle complex algorithms that aim to optimize energy use in real-time under different operating conditions. Furthermore, islanding the building's local network to maximize the PV energy share represents a challenging task due to the potential technical risks. In this context, this article addresses an improved approach based on upgrading the BAS data analytics capability by means of an edge computing technology. The edge communicates with the BAS low-level controller using a serial communication protocol. Taking advantage of the high computing ability of the edge device, an optimization-based EMS of the PV/ESS hybrid system is implemented. Different testing scenarios have been carried out on a real prototype with different weather conditions, and the results show the implementation feasibility and technical performance of such advanced EMS for the management of building energy resources. It has also been proven to be feasible and advantageous to operate the local energy network in island mode while ensuring system safety. Additionally, an estimated energy saving improvement of 6.23 % has been achieved using optimization-based EMS compared to the classical rule-based EMS, with better ESS constraints fulfillment.
For the treatment of bone defects, biodegradable, compressive biomaterials are needed as replacements that degrade as the bone regenerates. The problem with existing materials has either been their insufficient mechanical strength or the excessive differences in their elastic modulus, leading to stress shielding and eventual failure. In this study, the compressive strength of CPC ceramics (with a layer thickness of more than 12 layers) was compared with sintered β-TCP ceramics. It was assumed that as the number of layers increased, the mechanical strength of 3D-printed scaffolds would increase toward the value of sintered ceramics. In addition, the influence of the needle inner diameter on the mechanical strength was investigated. Circular scaffolds with 20, 25, 30, and 45 layers were 3D printed using a 3D bioplotter, solidified in a water-saturated atmosphere for 3 days, and then tested for compressive strength together with a β-TCP sintered ceramic using a Zwick universal testing machine. The 3D-printed scaffolds had a compressive strength of 41.56 ± 7.12 MPa, which was significantly higher than that of the sintered ceramic (24.16 ± 4.44 MPa). The 3D-printed scaffolds with round geometry reached or exceeded the upper limit of the compressive strength of cancellous bone toward substantia compacta. In addition, CPC scaffolds exhibited more bone-like compressibility than the comparable β-TCP sintered ceramic, demonstrating that the mechanical properties of CPC scaffolds are more similar to bone than sintered β-TCP ceramics.
Grundzüge der Strömungslehre
(2023)
Dieses ausgereifte Lehrbuch stellt in prägnant kurzer und mathematisch verständlicher Darstellung die strömungstechnischen Grundlagen dar. Aufgaben mit Lösungen helfen den Lernstoff richtig anzuwenden und fördern das Verständnis. Das Buch eignet sich zur Begleitung und Vertiefung der Vorlesungen über Strömungslehre sowie zum Selbststudium. Die vorliegende Auflage geht auf die immer größer werdende Rolle des Energiehaushalts ein und trägt damit den aktuellen Entwicklungen Rechnung. Ergänzt wurden aktuelle Übungsaufgaben der Strömungsmechanik, zahlreiche Beispiele veranschaulichen den Energiesatz.
Automation devices or automation stations (AS) take on the task of controlling, regulating, monitoring and, if necessary, optimising building systems and their system components (e.g. pumps, compressors, fans) based on recorded process variables. For this purpose, a wide range of control and regulation methods are used, starting with simple on/off controllers, through classic PID controllers, to higher-order controllers such as adaptive, model-predictive, knowledge-based or adaptive controllers.
Starting with a brief introduction to automation technology (Sect. 7.1), the chapter goes into the structure and functionality of the usual compact controllers using the application examples of solar thermal systems and heat pump systems (Sect. 7.2). Finally, the integration of system automation into a higher-level building automation system and into the building management system is described using specific application examples (Sect. 7.3).
This central book chapter now details the implementation of automation of solar domestic hot water systems, solar assisted building heating, rooms, solar cooling systems, heat pump heating systems, geothermal systems and thermally activated building component systems. Hydraulic and automation diagrams are used to explain how the automation of these systems works. A detailed insight into the engineering and technical interrelationships involved in the use of these systems, as well as the use of simulation tools, enables effective control and regulation. System characteristic curves and systematic procedures support the automation engineer in his tasks.
Renewable energy sources such as solar radiation, geothermal heat and ambient heat are available for energy conversion. With the help of special converters, these resources can be put to use. These include solar collectors, geothermal probes and chillers. They collect the energy and convert it to a temperature level high enough to be suitable for heat purposes. In the case of refrigeration machines, a distinction is made between electrically and thermally driven machines.
The use of renewable energy sources for heating and cooling in buildings today offers the best opportunities to avoid the use of fossil fuels and the associated climate-damaging emissions. However, unlike fossil fuels, renewable energy sources such as solar radiation are not available at the push of a button, but occur uncontrollably depending on weather conditions, the location of the building and the time of year. Their use is free of charge. However, complex converters and systems usually have to be installed in order to use them. These must be carefully planned and operated in order to avoid unnecessary costs and to generate the maximum possible yield. The regenerative energy systems are usually integrated into existing conventional systems. When designing the control and regulation equipment, it is crucial to design the automation of the systems in such a way that primarily renewable energy sources are used and the share of fossil energy sources is minimized.
This textbook helps use regenerative systems for heating and cooling effectively. Integration and automation schemes provide a quick overview. Practical examples clearly show standard solutions for the integration of regenerative energy sources. For the 2nd edition, improvements have been made to the text and illustrations, and references to standards have been updated. Control questions at the end of the main chapters serve to consolidate the understanding of the content.
Hintergrund
In diesem Artikel wird ein Überblick und Vergleich der am häufigsten verwendeten zementierten Hüftschäfte, gruppiert in die verschiedenen Schafttypen und Zementmanteldicken, gegeben, um zu sehen, welche Kombination gut abschneidet.
Methodik
Aus dem Endoprothesenregister Deutschland wurden die Revisionsraten zementierter Schaftarten kategorisiert und die Revisionsraten von 3 und 5 Jahren erfasst und analysiert. Für die Recherche lag die Konzentration auf den Schäften Exeter, C‑Stem, MS-30, Excia, Bicontact, Charnley, Müller Geradschaft, Twinsys, Corail, Avenir, Quadra und dem Lubinus SP II. Ein wichtiger Aspekt lag darin, welcher Schaft favorisiert implantiert wird und welche Zementiertechnik in Hinblick auf die geplante Zementmanteldicke angewendet wird. Um einen Trend in der zementierten Hüftendoprothetik herauszufinden, wurden zusätzlich die Daten des dänischen, schwedischen, norwegischen, schweizerischen, neuseeländischen, englischen und australischen Endoprothesenregister verglichen.
Ergebnisse und Schlussfolgerung
Die meisten Länder nutzen zementierte Prothesen nach dem Kraftschlussprinzip (Exeter, MS30, C‑Stem etc.) oder dem Formschlussprinzip (Charnley, Excia, Bicontact), welche mit einer Zementmanteldicke von 2–4 mm implantiert werden. Jedoch hat sich in Deutschland und der Schweiz ein Trend zur Line-to-Line-Technik, mit einer geplanten Zementmanteldicke von 1 mm (Twinsys, Corail, Avenir, Quadra) aufgezeigt, dem Prinzip der Müller-Geradschaft-Prothese und der Kerboul-Charnley-Prothese folgend, auch wenn diese an sich als „french paradoxon“ postuliert werden. In den EPRD-5-Jahres-Ergebnissen scheinen die neueren Line-to-Line-Prothesen etwas schlechter abzuschneiden. Die besten Ergebnisse erzielt der „MS 30“ in Deutschland und der „Exeter“ in England. Hierbei handelt es sich um polierte Geradschäfte mit Zentraliser und Subsidence-Raum an der Spitze mit einem 2–4 mm Zementmantel in guter Zementiertechnik.
Human interaction frequently includes decision-making processes during which interactants call on verbal and non-verbal resources to manage the flow of interaction. In 2017, Stevanovic et al. carried out pioneering work, analyzing the unfolding of moment-by-moment dynamics by investigating the behavioral matching during search and decision-making phases. By studying the similarities in the participant's body sway during a conversation task in Finnish, the authors showed higher behavioral matching during decision phases than during search phases. The purpose of this research was to investigate the whole-body sway and its coordination during joint search and decision-making phases as a replication of the study by Stevanovic et al. (2017) but based on a German population. Overall, 12 dyads participated in this study and were asked to decide on 8 adjectives, starting with a pre-defined letter, to describe a fictional character. During this joint-decision task (duration: 206.46 ± 116.08 s), body sway of both interactants was measured using a 3D motion capture system and center of mass (COM) accelerations were computed. Matching of body sway was calculated using a windowed cross correlation (WCC) of the COM accelerations. A total of 101 search and 101 decision phases were identified for the 12 dyads. Significant higher COM accelerations (5.4*10−3 vs. 3.7*10−3 mm/s2, p < 0.001) and WCC coefficients (0.47 vs. 0.45, p = 0.043) were found during decision-making phases than during search phases. The results suggest that body sway is one of the resources humans use to communicate the arrival at a joint decision. These findings contribute to a better understanding of interpersonal coordination from a human movement science perspective.
Background/Purpose
Several methods are used to evaluate the outcome of total hip arthroplasty (THA), however, their relationship at different time points after surgery is unclear. The purpose of this exploratory study was to investigate correlations between self-report function, performance-based tests (PBTs) and biomechanical parameters in patients 12 months after THA.
Methods
Eleven patients were included in this preliminary cross-sectional study. Hip disability and Osteoarthritis Outcome Score (HOOS) was completed for self-reported function. As PBTs, the Timed-up-and-Go test (TUG) and 30-Second-Chair-Stand test (30CST) were used. Biomechanical parameters were derived from analyses of hip strength, gait and balance. Potential correlations were calculated using Spearman correlation coefficient r.
Results
HOOS scores and parameters of PBTs showed moderate to strong correlations (0.3 < r < 0.7). Correlation analysis between HOOS scores and biomechanical parameters revealed moderate to strong correlations for hip strength whereas correlations with gait parameters and balance were rather weak (r < 0.3). Moderate to strong correlations were also found between parameters of hip strength and 30CST.
Conclusion
For THA outcome assessment 12 months after surgery, our first results indicate that self-report measures or PBTs could be used. Analysis of hip strength also appears to be reflected in HOOS and PBT parameters and may be considered as an adjunct. Given the weak correlations with gait and balance parameters, we suggest that gait analysis and balance testing should be performed in addition to PROMs and PBTs as they may provide supplementary information, especially for THA patients that are at risk for falls.
The increasing diffusion of rapidly developing AI technologies led to the idea of the experiment to combine TRIZ-based automated idea generation with the natural language processing tool ChatGPT, using the chatbot to interpret the automatically generated elementary solution principles. The article explores the opportunities and benefits of a novel AI-enhanced approach to teaching systematic innovation, analyses the learning experience, identifies the factors that affect students' innovation and problem-solving performance, and highlights the main difficulties students face, especially in interdisciplinary problems.
Im Zuge der Machbarkeitsstudie „BubbleMeth“ (FKZ BWFE310091) wurde die Machbarkeit der biologischen Methanisierung in einem neukonzipierten innovativen Pilot-Reaktor, basierend auf einer Gegenstromblasensäule mit separatem Entgasungs-Reaktor, sowohl für den Betrieb in der biologischen in-situ als auch der ex-situ Methanisierung demonstriert.
Die Pilot-Anlage besteht aus einer Gegenstromblasensäule und einem separaten Entgasungs-Reaktor und wurde an der Hochschule Offenburg geplant und gebaut. Die beiden Reaktor-Säulen haben jeweils eine Höhe von 10 m, einen Säulendurchmesser von 0,3 m und ein Gesamtreaktionsvolumen von etwa 1,1 m3. Der Gaseintrag erfolgt über Sinterplatten am Boden der Gegenstromblasensäule. In dieser Begasungssäule strömt die Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung zu den aufsteigenden Gasblasen und reichert sich durch den am Säulenfuß vorliegenden hydraulischen Druck zunehmend mit gelöstem Gas an. Die Säule, in die das Eduktgas am Säulenboden eingetragen wird, ist in Abbildung 1 auf der rechten Seite dargestellt und befindet sich auf der Saugseite einer Pumpe. Bei einer etwa 9,5 m hohen Wassersäule erhöht sich der Absolutdruck am Säulenboden auf etwa 1,95 bar, womit sich die Löslichkeit einer beliebigen Gaskomponente im Vergleich zum Atmosphärendruck bei konstanter Temperatur im Gleichgewicht gemäß dem Henry’schen Gesetz näherungsweise verdoppelt. Dieser Effekt wird genutzt, um die Verfügbarkeit von gelöstem Wasserstoff für die bei der biologischen Methanisierung katalytisch wirkenden hydrogenothrophen Archaeen zu erhöhen. Durch die Zirkulation der Flüssigkeit und den damit erreichten Druckwechsel wird auf der Seite des Entgasungs-Reaktors ein Ausgasen der relativ zum Atmosphärendruck übersättigten Gaskomponente ermöglicht. Durch die Zirkulation der Flüssigkeit über zwei Säulen wird außerdem die räumliche Trennung des Eduktgaseintrages und der Produktgasabtrennung erreicht.
Die in-situ Methanisierung wurde in der Machbarkeitsstudie bis zu einer organischen Beladungsrate von 0,94 kg m-3 d-1 realisiert. Die erwartete Biogasbildungsrate (BGBR) bei vollständiger Umsetzung des Glucose/Fructose-Substrates zu Methan und CO2 lag bei ca. 0,686 m3 m-3 d-1. Die gemessene BGBR erreichte 0,61 ± 0,03 m3 m-3 d-1. Die geringe Abweichung kann auf eine zusätzliche Nutzung des Substrates für den Erhaltungsstoffwechsel des gesamten biologischen Systems zurückgeführt werden. Der maximale volumetrische H2-Eintrag betrug während der in-situ Methanisierung 0,785 m3 m-3 d-1 und ist dabei bezogen auf das gesamte Reaktionsvolumen von ca. 1,1 m3 in beiden Reaktorkolonnen. Das eingesetzte H2:CO2-Verhältnis lag bei 2,3, um einen vollständigen CO2-Umsatz und eine damit verbundene Verschiebung des pH-Wertes in den alkalischen Bereich bei der in-situ Methanisierung zu vermeiden. Die Produktgaszusammensetzung lag stabil bei ca. 80 Vol.% CH4, 18 Vol.% CO2 und geringen Mengen an Stickstoff, die im Wesentlichen aus der manuellen Entnahme der Gasproben resultieren, und entsprach der erwarteten Zusammensetzung bei dem vorgegebenen H2:CO2-Verhältnis.
Im Anschluss an die Untersuchungsphase der in-situ Methanisierung wurde der Prozess auf die ex-situ Methanisierung umgestellt. Dazu wurde die OLR schrittweise reduziert und gleichzeitig der Eintrag von CO2 aus einer Druckgasflasche erhöht. Die ex-situ Methanisierung wurde im Rahmen der Machbarkeitsstudie bis zu einem volumenspezifischen CO2-Eintrag bezogen auf das Gesamtreaktionsvolumen von 1,1 m3 von 0,563 m3 CO2 m-3 d-1 durchgeführt.
Der maximale volumetrische H2-Eintrag betrug während der ex-situ Methanisierung 2,168 m3 m-3 d-1. Das eingesetzte H2:CO2-Verhältnis lag bei 3,6 bis 3,9. Die Produktgaszusammensetzung lag stabil bei ca. 91 Vol.% CH4, 8 Vol.% CO2 und geringen Mengen an Stickstoff, und entsprach der erwarteten Zusammensetzung bei dem vorgegebenen H2:CO2-Verhältnis.
Besonders bemerkenswert war, dass sowohl bei der in-situ als auch der ex-situ Methanisierung und den jeweils in der Machbarkeitsstudie eingesetzten maximalen volumetrischen H2-Einträge weder im austretenden Produktgas am Entgasungsreaktor noch im rezirkulierten Gas am Kopf des Begasungsreaktors Wasserstoff nachzuweisen war. Damit besteht großes Potenzial für eine weitere Steigerung der Methanbildungsrate. Aus diesem Grund sollen die Arbeiten zur biologischen Methanisierung in einem Innovationsprojekt fortgeführt werden. Die Anlage soll hinsichtlich ihrer Eignung in einer relevanten Einsatzumgebung zur Methanisierung von in Biogas enthaltenem CO2-bewertet werden. Dazu soll die Anlage außerdem mit einem preiswerten alkalischen Elektrolyseur kombiniert werden, um das Verfahren so kostengünstig wie möglich zu gestalten. Dieser Elektrolyseur soll in Anlehnung an die fluktuierende Energiebereitstellung Erneuerbarer Energien zyklisch betrieben werden und dabei vor allem zu Zeiten günstiger Spotmarktpreise in Betrieb sein.
In dieser Arbeit werden Untersuchungen an einem neuartigen Sensorkonzept zur Erfassung von Winkelbeschleunigungen durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war es, die Möglichkeit, eine Miniaturisierung des Prototyps zu untersuchen. Hierfür wurde eine analytische und experimentelle Untersuchung durchgeführt. Für die analytische Betrachtung erfolgte eine Fehlerfortpflanzung nach Gauß, welche die Fertigungstoleranzen, Dimensionsfehler des Accelerometers, Rauschen und Messabweichungen von Accelerometer und Gyroskop berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung der hochwertigen Inertial Measurment Units (IMUs) eine theoretische Verkleinerung bis auf 21mm eine höhere Genauigkeit bietet als die numerischen Differentiationen der Winkelgeschwindigkeit.
Für die Verifizierung unter realen Bedingungen wurden verschiedene Prüfkonzepte verglichen.
Dabei erwies sich ein Pendelprüfstand als vielversprechender Ansatz. Durch die Verwendung von Kugellagern kann ein breites Spektrum an Winkelbeschleunigungen abgebildet werden. Die kontinuierliche Erfassung reflektierender Marker auf der Pendelstange ermöglicht die Ermittlung der Winkel, die als Grundlage für ein Modell dienen, wodurch sich reale Winkelbeschleunigungen mit den Messdaten des Sensors vergleichen lassen. Dabei stellt die Modellierung der Verlustterme eine zukünftige Herausforderung dar.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Miniaturisierung des Sensorprototyps möglich ist und das der Pendelprüfstand eine Methode zur Verifizierung darstellt. Dies trägt dazu bei, die Anwendungsmöglichkeiten des Sensorkonzepts in der Praxis zu erweitern.
A smart energy concept was designed and implemented for a cluster of 5 existing multi-family houses, which combines heat pumps, photovoltaic (PV) modules and combined heat and power units (CHP) to achieve energy- and cost-efficient operation. Measurement results of the first year of operation show that the local power generation by PV modules and CHP unit has a positive effect on the electrical self-sufficiency by reducing electricity import from the grid. In winter, when the CHP unit operates continuously for long periods, the entire electricity for the heat pump and 91 % of the total electricity demand of the neighborhood are supplied locally. In summer, only 53 % is generated within the neighborhood. The use of a specifically developed energy management system EMS is intended to further increase this share. CO2 emissions for heating and electricity of the neighborhood are evaluated and amount to 18.4 kg/(m2a). Compared to the previous energy system consisting of gas boilers (29.1 kg/(m2a)), savings of 37 % are achieved with electricity consumption from the grid being reduced by 65 %. In the second construction stage, an additional heat pump, CHP unit and PV modules will be added. The measurement results indicate that the final district energy system is likely to achieve the ambitious CO2 reduction goal of -50% and further increase the self-sufficiency of the district.
Enhancing engineering creativity with automated formulation of elementary solution principles
(2023)
The paper describes a method for the automated formulation of elementary creative stimuli for product or process design at different levels of abstraction and in different engineering domains. The experimental study evaluates the impact of structured automated idea generation on inventive thinking in engineering design and compares it with previous experimental studies in educational and industrial settings. The outlook highlights the benefits of using automated ideation in the context of AI-assisted invention and innovation.
This book constitutes the proceedings of the 23rd International TRIZ Future Conference on Towards AI-Aided Invention and Innovation, TFC 2023, which was held in Offenburg, Germany, during September 12–14, 2023. The event was sponsored by IFIP WG 5.4.
The 43 full papers presented in this book were carefully reviewed and selected from 80 submissions. The papers are divided into the following topical sections: AI and TRIZ; sustainable development; general vision of TRIZ; TRIZ impact in society; and TRIZ case studies.
Eco-innovations in chemical processes should be designed to use raw materials, energy and water as efficiently and economically as possible to avoid the generation of hazardous waste and to conserve raw material reserves. Applying inventive principles identified in natural systems to chemical process design can help avoid secondary problems. However, the selection of nature-inspired principles to improve technological or environmental problems is very time-consuming. In addition, it is necessary to match the strongest principles with the problems to be solved. Therefore, the research paper proposes a classification and assignment of nature-inspired inventive principles to eco-parameters, eco-engineering contradictions and eco-innovation domains, taking into account environmental, technological and economic requirements. This classification will help to identify suitable principles quickly and also to realize rapid innovation. In addition, to validate the proposed classification approach, the study is illustrated with the application of nature-inspired invention principles for the development of a sustainable process design for the extraction of high-purity silicon dioxide from pyrophyllite ores. Finally, the paper defines a future research agenda in the field of nature-inspired eco-engineering in the context of AI-assisted invention and innovation.
Der vorliegende Leitfaden entstand im Rahmen der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten die drei Forschungsinstitute Fraunhofer ISE, KIT und Universität Freiburg (INATECH) mit Herstellern von Heizungs- und Lüftungstechnik und mit Unternehmen der Wohnungswirtschaft zusammen. Gemeinsam wurden Lösungen entwickelt, analysiert und demonstriert, die den effizienten Einsatz von Wärmepumpen, Wärmeübergabesystemen und Lüftungssystemen bei der energetischen Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden zum Ziel haben.
In der Studie "Technisch-wissenschaftliche Analyse zur Energieeffizienz unterschiedlicher Trinkwasser-Erwärmungssysteme im Vergleich" im Auftrag der Viega GmbH & Co. KG werden verschiedene Trinkwasser-Erwärmungssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz in Wärmepumpensystemen vergleichend untersucht. Neben Aufbau und Parametrierung eines Simulationsmodells sowie Integration von Lastreihen nach Norm umfasst die Studie eine detaillierte Abbildung aller untersuchten Systeme. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Einordnung des Energieeinsparpotenzials durch eine Warmwassertemperaturreduktion mit dem Viega AVS Trinkwasser Management System. Die untersuchten Varianten sind: Referenzsystem 1: Durchflusstrinkwassererwärmer DTE (1 stufig) mit Rücklaufeinschichtung. System 2: Viega DTE (2 stufig). System 3: Viega AVS Trinkwasser Management System mit DTE (2 stufig) und Ultrafiltrationsmodul im Zirkulationsrücklauf UFC. System 4: Wohnungsstation, 4-Leiter-System. System 5: Wohnungsstation, 2-Leiter-System. System 6: Elektrischer Durchlauferhitzer. Die Studie ergab, dass sich bei Einsatz einer Niedertemperatur-Wärmepumpe mit maximaler Vorlauftemperatur von 58 °C das Viega AVS System mit DTE und UFC, dezentrale elektrische Durchlauferhitzer sowie das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 45°C im Vergleich als energetisch am besten erweisen. Bei einer Wärmepumpe mit einer höheren maximalen Vorlauftemperatur von 64 °C kann auch das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 50°C sinnvoll eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigten auch, dass je höher die durch die Wärmepumpe bereitgestellte Temperatur (maximale Vorlauftemperatur), desto besser lassen sich auch die anderen Systeme einsetzen, da sich dadurch der Einsatz des Backup-Systems minimieren lässt. Das Viega Aqua VIP System mit Temperaturabsenkung schneidet im Vergleich sehr gut hinsichtlich des Einsatzes der Endenergie und der zu erreichenden Jahresarbeitszahl ab. Der Einsatz dieses Systems in Kombination mit einer Wärmepumpe bietet Potenzial für den Einsatz erneuerbarer Energien.
LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden ("LowEx-Bestand Analyse")
(2023)
Der vorliegende Abschlussbericht fasst die Ergebnisse der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten drei Forschungsinstitute mit Herstellern von Heizungs- und Lüftungstechnik und mit Unternehmen der Wohnungswirtschaft zusammen. Gemeinsam wurden Lösungen entwickelt, analysiert und demonstriert, die den effizienten Einsatz von Wärmepumpen, Wärmeübergabesystemen und Lüftungssystemen bei der energetischen Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden zum Ziel haben. LowEx-Systeme arbeiten durch geringe Temperaturdifferenzen zwischen Heizmedium und Nutzwärmebesonders effizient. Wärmepumpen haben dabei erhebliches Potenzial zur Absenkung der spezifischen CO2-Emissionen bei der Wärmebereitstellung. Für die energetische Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden ist der Einsatz solcher Systeme mit besonderen Herausforderungen und Anforderungen an die Übergabe der Raumwärme, die Warmwasserbereitung und die Nutzung von Umweltwärme verbunden. Diese Herausforderungen werden in LowEx-Bestand adressiert.
Optimization of energetic refurbishment roadmaps for multi-family buildings utilizing heat pumps
(2023)
A novel methodology for calculating optimized refurbishment roadmaps is developed in this paper. The aim of the roadmaps is to determine when and how should which component of the building envelope and heat generation system be refurbished to achieve the lowest net present value. The integrated optimization approach couples a particle swarm optimization algorithm with a dynamic building simulation of the building envelope and the heat supply system. Due to a free selection of implementation times and refurbishment depth, the optimization method achieves the lowest net present value and high CO2 reduction and is therefore an important contribution to achieve climate neutrality in the building stock.
The method is exemplarily applied to a multi-family house built in 1970. In comparison to a standard refurbishment roadmap, cost savings of 6–16 % and CO2 savings of 6–59 % are possible. The sensitivity of the refurbishment roadmap measures is analyzed on the basis of a parametric analysis. Robust optimization results are obtained with a mean refurbishment level of approx. 50 kWh/m2/a of the building envelope. The preferred heat generation system is a bivalent brine-heat pump system with a share of 70 % of the heat load being covered by the electric heat pump.
Elektrische Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie für klimafreundliche Gebäude. In Mehrfamilienhäusern ist ihr Einsatz noch eine Herausforderung und entsprechend wenig verbreitet. Im Rahmen des Verbundprojekts "HEAVEN" haben Forschende nun ein Mehrquellen-Wärmepumpensystem entwickelt, das an die Anforderungen größerer Wohngebäude angepasst ist. Getestet wurde es im Rahmen des Verbundprojekts "Smartes Quartier Durlach" in einem Karlsruher Gebäude. Daten zum ersten Betriebsjahr liegen nun vor.
Diese Metadaten wurden zur Verfügung gestellt von der Literaturdatenbank RSWB®plus
Am 1. Juli 2022 trafen sich im Rahmen des Abschlusskolloquiums des Projekts ACA-Modes rund 60 Teilnehmende aus Forschung, Lehre und Industrie zu einer internationalen Konferenz an der Hochschule Offenburg. Hier wurden die Projektergebnisse rund um die erfolgreiche Implementierung modellprädiktiver Regelstrategien vorgestellt, aktuelle Fragestellungen diskutiert und Entwicklungspfade hin zu einem netzdienlichen Betrieb von Energieverbundsystemen skizziert.
Heat pumps play a central role in decarbonizing the heat supply of buildings. However, in this article, implementing heat pumps in existing buildings, a significant challenge is still presented due to high temperature requirements. In this article, a systematic analysis of the effects of heat source temperatures, maximum heat pump condenser temperatures, and system temperatures on the seasonal performance of heat pump (HP) systems is presented. The quantitative performance analysis encompasses over 50 heat pumps installed in residential buildings, revealing correlations between the building characteristics, observed temperatures, and heat pump type. The performance of an HP system retrofitted to a 30-dwelling multifamily building is presented in more detail. The bivalent HP system combines air and ground as heat sources and achieves a seasonal performance factor of 3.25 with a share of the gas boiler of 27% in its first year of operation. In these findings, the technical feasibility of retrofitting heat pumps is demonstrated in existing buildings and insights are provided into overcoming the challenges associated with high temperature requirements.
Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie der Wärmewende. Durch die Nutzbarmachung von Umweltwärme und den Antrieb mit Elektrizität, die zunehmend aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, kann die CO2-Intensität der Wärmeversorgung gesenkt werden. Eine Herausforderung besteht in der Anwendung in größeren Mehrfamilienbestandsgebäuden. Lösungsansätze und beispielhafte Umsetzungen werden hierzu vorgestellt.
Lithium-ion batteries exhibit slow voltage dynamics on the minute time scale that are usually associated with transport processes. We present a novel modelling approach toward these dynamics by combining physical and data-driven models into a Grey-box model. We use neural networks, in particular neural ordinary differential equations. The physical structure of the Grey-box model is borrowed from the Fickian diffusion law, where the transport domain is discretized using finite volumes. Within this physical structure, unknown parameters (diffusion coefficient, diffusion length, discretization) and dependencies (state of charge, lithium concentration) are replaced by neural networks and learnable parameters. We perform model-to-model comparisons, using as training data (a) a Fickian diffusion process, (b) a Warburg element, and (c) a resistor-capacitor circuit. Voltage dynamics during constant-current operation and pulse tests as well as electrochemical impedance spectra are simulated. The slow dynamics of all three physical models in the order of ten to 30 min are well captured by the Grey-box model, demonstrating the flexibility of the present approach.
A novel peptidyl-lys metalloendopeptidase (Tc-LysN) from Tramates coccinea was recombinantly expressed in Komagataella phaffii using the native pro-protein sequence. The peptidase was secreted into the culture broth as zymogen (~38 kDa) and mature enzyme (~19.8 kDa) simultaneously. The mature Tc-LysN was purified to homogeneity with a single step anion-exchange chromatography at pH 7.2. N-terminal sequencing using TMTpro Zero and mass spectrometry of the mature Tc-LysN indicated that the pro-peptide was cleaved between the amino acid positions 184 and 185 at the Kex2 cleavage site present in the native pro-protein sequence. The pH optimum of Tc-LysN was determined to be 5.0 while it maintained ≥60% activity between pH values 4.5—7.5 and ≥30% activity between pH values 8.5—10.0, indicating its broad applicability. The temperature maximum of Tc-LysN was determined to be 60 °C. After 18 h of incubation at 80 °C, Tc-LysN still retained ~20% activity. Organic solvents such as methanol and acetonitrile, at concentrations as high as 40% (v/v), were found to enhance Tc-LysN’s activity up to ~100% and ~50%, respectively. Tc-LysN’s thermostability, ability to withstand up to 8 M urea, tolerance to high concentrations of organic solvents, and an acidic pH optimum make it a viable candidate to be employed in proteomics workflows in which alkaline conditions might pose a challenge. The nano-LC-MS/MS analysis revealed bovine serum albumin (BSA)’s sequence coverage of 84% using Tc-LysN which was comparable to the sequence coverage of 90% by trypsin peptides.
Die Arbeit beinhaltet die Konzeption und den Aufbau eines Prüfstandes für den Elektromotor sowie den Antriebsstrang des Hocheffizienzfahrzeugs "Schluckspecht S6" der Hochschule Offenburg. Neben Beschreiben des Vorgehens bei dem Entwerfen von benötigten CAD-Modellen wird auch auf die Auswahl und Implementierung elektronischer Komponenten sowie die Programmierung des verwendeten Mikrocontrollers eingegangen. Die Ergebnisse eines ersten Tests des Prüfstandes werden außerdem aufgezeigt und diskutiert.
The aim of this bachelor thesis is to introduce a product data management (PDM) system to reduce the current difficulties in the project team workflow. The main objective is to reduce or prevent problems in the project team's collaboration processes by establishing a centralized, structured data repository.
The process to achieve this goal was to first talk to the project team and monitor professors to find the most effective strategies. Early research on PDM/PLM (Product Lifecycle Management) was conducted through literature reviews, online searches, thesis reviews, and video resources.
In order to gain a comprehensive understanding of PDM systems, the thesis used a combination of group discussions and literature reviews. The emphasis was on the practical application, which included the customization of configurations.
This article presents the development, parameterization, and experimental validation of a pseudo-three-dimensional (P3D) multiphysics aging model of a 500 mAh high-energy lithium-ion pouch cell with graphite negative electrode and lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) positive electrode. This model includes electrochemical reactions for solid electrolyte interphase (SEI) formation at the graphite negative electrode, lithium plating, and SEI formation on plated lithium. The thermodynamics of the aging reactions are modeled depending on temperature and ion concentration and the reactions kinetics are described with an Arrhenius-type rate law. Good agreement of model predictions with galvanostatic charge/discharge measurements and electrochemical impedance spectroscopy is observed over a wide range of operating conditions. The model allows to quantify capacity loss due to cycling near beginning-of-life as function of operating conditions and the visualization of aging colormaps as function of both temperature and C-rate (0.05 to 2 C charge and discharge, −20 °C to 60 °C). The model predictions are also qualitatively verified through voltage relaxation, cell expansion and cell cycling measurements. Based on this full model, six different aging indicators for determination of the limits of fast charging are derived from post-processing simulations of a reduced, pseudo-two-dimensional isothermal model without aging mechanisms. The most successful aging indicator, compared to results from the full model, is based on combined lithium plating and SEI kinetics calculated from battery states available in the reduced model. This methodology is applicable to standard pseudo-two-dimensional models available today both commercially and as open source.
Im Automobilbau bietet der Einsatz der Multimaterialbauweise ein signifikantes Potenzial zur Gewichtsreduktion. Zugleich erfordert diese Bauweise eine große Anzahl von Fügeverfahren für die Verbindung der unterschiedlichen Werkstoffe und Werkstoffklassen. Dabei muss eine Vielzahl an konstruktiven und materialseitigen Anforderungen berücksichtigt werden. Um in diesem Auswahlprozess den Aspekt des Leichtbaus beim Fügeverfahren selbst systematisch zu integrieren, wurde eine Methodik entwickelt, welche die Fügeverfahren im Hinblick auf ihr jeweiliges Leichtbaupotenzial bewertet.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2 und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2 enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4 enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium in der Begasungskolonne ein H2 enthaltendes Gas zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium in der Begasungskolonne ein H2enthaltendes Gas zugeführt wird.
Encapsulant-free N.I.C.E. modules have strong ecological advantages compared to conventional laminated modules but suffer generally from lower electrical performance. Via long-term outdoor monitoring of fullsize industrial modules of both types with identical solar cells, we investigated if the performance difference remains constant over time and which parameters influence its value. After assessing about a full year’s data, two obvious levers for N.I.C.E. optimization are identified: The usage of textured glass and transparent adhesives on the module rear side. Also, the performance loss could be alleviated using tracking systems due to lower AOI values. Our measurements show additionally that N.I.C.E. module surfaces are in average about 2.5°C cooler compared to laminated modules. With these findings, we lay out a roadmap to reduce today’s LIV gap of about 5%rel by different optimizations.
Phytases are widely used food and feed enzymes to improve phosphate availability and reduce anti-nutritional factors. Despite the benefits, enzyme usage is restricted by the harsh conditions in a gastrointestinal tract (pH 2–6) and feed pelleting conditions at high temperatures (60–90 °C). The commercially available phytase Quantum® Blue has been immobilized as CLEAs using glutardialdehyde and soy protein resulting in a residual activity of 33%. The influence of the precipitating agent, precipitant concentration, cross-linker concentration and cross-linking time, sodium borohydride as well as the proteic feeders gluten, soy protein and bovine serum albumin (BSA) has been optimized. The best conditions were 90% (v/v) ethyl lactate as precipitating reagent, 100 mM glutardialdehyde and a soy protein concentration of 227 mg/L with a cross-linking time of 1 h. The intrinsically stable phytase remained its high thermal stability and temperature optimum. The phytase-CLEA achieved a 425% increase of residual activity under harsh acidic conditions between pH 2.2 and 3.5 compared to the free enzyme. The free and immobilized phytase were deployed in an in vitro assay simulating the acidic conditions in the gizzard of poultry at pH 2. The hydrolysis of phytate was monitored using a novel high-performance thin-layer chromatography (HPTLC) analysis and DAD scanner to study the InsPx fingerprint. All lower inositol phosphate pools (InsP1–InsP6) and free phosphate were separated and analyzed. The phytase-CLEA efficiently released 80% of the total phosphate within 180 min, whereas the free enzyme only released 6% in the same time under the same conditions.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2 und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit
einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2 enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, wobei die Zuführeinrichtung im Bereich der Bodenseite der Begasungskolonne angeordnet ist, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4 enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium
aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium im Bereich der Bodenseite der Begasungskolonne ein H2 enthaltendes Gas zugeführt wird.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines smarten Energiekonzepts für ein Bestandsquartier in Karlsruhe
(2023)
Die Transformation der Energieversorgung in Bestandsgebäuden ist für die Erreichung der Klimaziele im Gebäudesektor entscheidend. In einem modellhaften Quartiersprojekt in Karlsruhe-Durlach wird ein ‚smartes Energiekonzept‘, bestehend aus Wärmepumpen, Blockheizkraftwerk und PV-Anlagen mit lokalem Strom- und Wärmenetz umgesetzt und messtechnisch begleitet. Ziel ist dabei eine CO2-effiziente und wirtschaftliche Bereitstellung von Wärme und Strom.
In dem Artikel wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für das Wärme- und Stromcontracting auf Basis der realen Investitionskosten sowie der gemessenen und berechneten Energieflüsse durchgeführt. Die Wärmegestehungskosten hängen neben den Investitionskosten von den energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab. Mit ansteigender CO2-Steuer werden mittelfristig Wärmegestehungskosten erreicht, die unter denen konventioneller Energiesysteme liegen. Dadurch bietet das integrierte Energiekonzept ein breites Anwendungspotenzial für städtische Bestandsquartiere außerhalb von Fernwärme-Gebieten.
Um den Prozess der Direktreduktion von Eisenerz computergestützt zu simulieren, werden mathematische Modelle, zur Beschreibung von Gas-Feststoff-Reaktionen, in Python implementiert. In der vorliegenden Arbeit wird ein einzelnes Pellet aus Eisenerz, welches sich in einem Gasstrom aus reinem Wasserstoff befindet, betrachtet. Es werden mehrere Modellansätze aus der Literatur miteinander verglichen und davon geeignete zur recheneffizienten Implementierung ausgewählt. Die entwickelte Simulationssoftware besitzt eine grafische Oberfläche und bietet die Auswahl aus drei Modellen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad. Diese sind vollständig parametriert und die meisten Parameter werden temperaturabhängig bestimmt oder sind frei wählbar. Die Durchführung von Parameterstudien ist über die lineare Variierung eines beliebigen Parameters möglich. Die Ergebnisse der Simulation können dann in Abhängigkeit der Zeit dargestellt oder im CSV-Format exportiert werden. Die Rechenmodelle sind in einem separaten Python-Modul zusammengefasst und können einfach in eine übergeordnete Modellierung eingebaut werden. Zur Validierung erfolgt ein Abgleich mit experimentellen Literaturdaten. Abschließend werden die Stärken und Schwächen der implementierten Modelle gegenübergestellt und bewertet.
Rückenschmerzen sind ein weit verbreitetes Problem in der deutschen Gesellschaft. In der Mehrzahl der Fälle von Schmerzen im unteren Rücken ist es schwierig, eine spezifische nozizeptive Ursache zu finden. Aus vorherigen Studien ist bekannt, dass manuelles Heben eine Belastung für die Wirbelsäule darstellen kann. Die Geschwindigkeit der Hebebewegung spielt eine Rolle, ebenso wie Gewicht und Stabilität der Gelenke und Gliedmaßen.
Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Veränderungen in der Kinematik der Lendenwirbelsäule, der Hüfte und des Knies beim Heben von Lasten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Gewichten. Für diese Arbeit wurden die kinematischen Daten von insgesamt 79 Personen ausgewertet. Die Stichprobe bestand aus 20 asymptomatischen Frauen, 22 asymptomatischen Männern, 19 Frauen mit chronischen Rückenschmerzen und 18 Männern mit chronischen Rückenschmerzen. Die Daten wurden mit einem 3D-Bewegungsanalysesystem in Verbindung mit einem Set passiver Marker aufgenommen.
Es wurde kein signifikanter Effekt auf die mittleren maximalen Gelenkwinkel durch den Vergleich der geschlechtlich gemischten Gruppe mit Rückenschmerzen mit asymptomatischen Personen festgestellt, im Vergleich des Verhältnisses zwischen lumbaler Bewegung zu Beckenbewegungen (L/P-ratio) konnten signifikante Unterschiede ermittelt werden. Der Vergleich der Geschlechter zeigte signifikante Unterschiede für den lumbopelvinen Rhythmus. Für die Parameter Gewicht und Geschwindigkeit wurde kein signifikanter Effekt erfasst.
Predictive control has great potential in the home energy management domain. However, such controls need reliable predictions of the system dynamics as well as energy consumption and generation, and the actual implementation in the real system is associated with many challenges. This paper presents the implementation of predictive controls for a heat pump with thermal storage in a real single-family house with a photovoltaic rooftop system. The predictive controls make use of a novel cloud camera-based short-term solar energy prediction and an intraday prediction system that includes additional data sources. In addition, machine learning methods were used to model the dynamics of the heating system and predict loads using extensive measured data. The results of the real and simulated operation will be presented.
In this paper, we propose an approach for gait phase detection for flat and inclined surfaces that can be used for an ankle-foot orthosis and the humanoid robot Sweaty. To cover different use cases, we use a rule-based algorithm. This offers the required flexibility and real-time capability. The inputs of the algorithm are inertial measurement unit and ankle joint angle signals. We show that the gait phases with the orthosis worn by a human participant and with Sweaty are reliably recognized by the algorithm under the condition of adapted transition conditions. E.g., the specificity for human gait on flat surfaces is 92 %. For the robot Sweaty, 95 % results in fully recognized gait cycles. Furthermore, the algorithm also allows the determination of the inclination angle of the ramp. The sensors of the orthosis provide 6.9 and that of the robot Sweaty 7.7 when walking onto the reference ramp with slope angle 7.9.
Purpose
To (1) identify neuromuscular and biomechanical injury risk factors in elite youth soccer players and (2) assess the predictive ability of a machine learning approach.
Material and Methods
Fifty-six elite male youth soccer players (age: 17.2 ± 1.1 years; height: 179 ± 8 cm; mass: 70.4 ± 9.2 kg) performed a 3D motion analysis, postural control testing, and strength testing. Non-contact lower extremities injuries were documented throughout 10 months. A least absolute shrinkage and selection operator (LASSO) regression model was used to identify the most important injury predictors. Predictive performance of the LASSO model was determined in a leave-one-out (LOO) prediction competition.
Results
Twenty-three non-contact injuries were registered. The LASSO model identified concentric knee extensor peak torque, hip transversal plane moment in the single-leg drop landing task and center of pressure sway in the single-leg stance test as the three most important predictors for injury in that order. The LASSO model was able to predict injury outcomes with a likelihood of 58% and an area under the ROC curve of 0.63 (sensitivity = 35%; specificity = 79%).
Conclusion
The three most important variables for predicting the injury outcome suggest the importance of neuromuscular and biomechanical performance measures in elite youth soccer. These preliminary results may have practical implications for future directions in injury risk screening and planning, as well as for the development of customized training programs to counteract intrinsic injury risk factors. However, the poor predictive performance of the final model confirms the challenge of predicting sports injuries, and the model must therefore be evaluated in larger samples.
Bewegungsanalysesysteme in der Forschung und für niedergelassene Orthopädinnen und Orthopäden
(2023)
Hintergrund
Komplexe biomechanische Bewegungsanalysen können für eine Vielzahl orthopädischer Fragestellungen wichtige Informationen liefern. Bei der Beschaffung von Bewegungsanalysesystemen sind neben den klassischen Messgütekriterien (Validität, Reliabilität, Objektivität) auch räumliche und zeitliche Rahmenbedingungen sowie Anforderungen an die Qualifikation des Messpersonals zu berücksichtigen.
Anwendung
In der komplexen Bewegungsanalyse werden Systeme zur Bestimmung der Kinematik, der Kinetik und der Muskelaktivität (Elektromyographie) eingesetzt. Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick über Methoden der komplexen biomechanischen Bewegungsanalyse für den Einsatz in der orthopädischen Forschung oder in der individuellen Patientenversorgung. Neben dem Einsatz zur reinen Bewegungsanalyse wird auch der Einsatz von Bewegungsanalyseverfahren im Bereich des Biofeedbacktrainings diskutiert.
Beschaffung
Für die konkrete Anschaffung von Bewegungsanalysesystemen empfiehlt sich die Kontaktaufnahme mit Fachgesellschaften (z. B. Deutsche Gesellschaft für Biomechanik), Hochschulen und Universitäten mit vorhandenen Bewegungsanalyseeinrichtungen oder Vertriebsfirmen im Bereich der Biomechanik.
Background
Internal tibial loading is influenced by modifiable factors with implications for the risk of stress injury. Runners encounter varied surface steepness (gradients) when running outdoors and may adapt their speed according to the gradient. This study aimed to quantify tibial bending moments and stress at the anterior and posterior peripheries when running at different speeds on surfaces of different gradients.
Methods
Twenty recreational runners ran on a treadmill at 3 different speeds (2.5 m/s, 3.0 m/s, and 3.5 m/s) and gradients (level: 0%; uphill: +5%, +10%, and +15%; downhill: –5%, –10%, and –15%). Force and marker data were collected synchronously throughout. Bending moments were estimated at the distal third centroid of the tibia about the medial–lateral axis by ensuring static equilibrium at each 1% of stance. Stress was derived from bending moments at the anterior and posterior peripheries by modeling the tibia as a hollow ellipse. Two-way repeated-measures analysis of variance were conducted using both functional and discrete statistical analyses.
Results
There were significant main effects for running speed and gradient on peak bending moments and peak anterior and posterior stress. Higher running speeds resulted in greater tibial loading. Running uphill at +10% and +15% resulted in greater tibial loading than level running. Running downhill at –10% and –15% resulted in reduced tibial loading compared to level running. There was no difference between +5% or –5% and level running.
Conclusion
Running at faster speeds and uphill on gradients ≥+10% increased internal tibial loading, whereas slower running and downhill running on gradients ≥–10% reduced internal loading. Adapting running speed according to the gradient could be a protective mechanism, providing runners with a strategy to minimize the risk of tibial stress injuries.
Selbsttests in Lernmanagementsystemen (LMS) ermöglichen es Studierenden, den eigenen Lernfortschritt einzuschätzen. Im Gegensatz zur Einreichung und Korrektur vollständig ausformulierter Aufgabenlösungen nutzen LMS überwiegend die Eingabe der Lösung im Antwort-Auswahl-Verfahren (Single-Choice). Nach didaktischen Ansatz „Physik durch Informatik“ geben die Lernenden stattdessen ihre Aufgabenlösungen in einer Programmiersprache ins LMS ein, was eine automatisierte Rückmeldung erleichtert und das Erreichen einer höheren Kompetenzstufe fördert. Es wurden zehn LMS-Selbsttests erstellt, bei denen die Lösungen zu einer Lehrbuch-Aufgabenstellung jeweils durch Eingabe in einer Programmiersprache und von einer Kontrollgruppe im Antwort-Auswahl-Verfahren abgefragt wurden. Ergebnisse aus dem ersten Einsatz dieser Selbsttests für die Lehrveranstaltung Physik im Studiengang Biotechnologie werden vorgestellt.