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Background
To assess the in-field walking mechanics during downhill hiking of patients with total knee arthroplasty five to 14 months after surgery and an age-matched healthy control group and relate them to the knee flexor and extensor muscle strength.
Methods
Participants walked on a predetermined hiking trail at a self-selected, comfortable pace wearing an inertial sensor system for recording the whole-body 3D kinematics. Sagittal plane hip, knee, and ankle joint angles were evaluated over the gait cycle at level walking and two different negative slopes. The concentric and eccentric lower extremity muscle strength of the knee flexors and extensors isokinetically at 50 and 120°/s were measured.
Findings
Less knee flexion angles during stance have been measured in patients in the operated limb compared to healthy controls in all conditions (level walking, moderate downhill, steep downhill). The differences increased with steepness. Muscle strength was lower in patients for both muscle groups and all measured conditions. The functional hamstrings to quadriceps ratio at 120°/sec correlated with knee angle during level and downhill walking at the moderate slope in patients, showing higher ratios with lower peak knee flexion angles.
Interpretation
The study shows that even if rehabilitation has been completed successfully and complication-free, five to 14 months after surgery, the muscular condition was still insufficient to display a normal gait pattern during downhill hiking. The muscle balance between quadriceps and hamstring muscles seems related to the persistence of a stiff knee gait pattern after knee arthroplasty. LoE: III.
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.
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.
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.
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 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.
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.
Photovoltaic-heat pump (PV-HP) combinations with battery and energy management systems are becoming increasingly popular due to their ability to increase the autarchy and utilization of self-generated PV electricity. This trend is driven by the ongoing electrification of the heating sector and the growing disparity between growing electricity costs and reducing feed-in tariffs in Germany. Smart control strategies can be employed to control and optimize the heat pump operation to achieve higher self-consumption of PV electricity. This work presents the evaluation results of a smart-grid ready controlled PV-HP-battery system in a single-family household in Germany, using 1-minute-high-resolution field measurement data. Within 12 months evaluation period, a self-consumption of 43% was determined. The solar fraction of the HP amounts to 36%, enabled also due to higher set temperatures for space heating and domestic hot water production. Accordingly, the SPF decreases by 4.0% the space heating and by 5.7% in the domestic hot water mode. The combined seasonal performance factor for the heat pump system increases from 4.2 to 6.7, when only considering the electricity taken from the grid and disregarding the locally generated electricity supplied from photovoltaic and battery units.
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.
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.
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.
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.
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).
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 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.
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.
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.
Ziel dieser Studie war es, Zusammenhänge zwischen Kinematik und Kraftanforderungen an den Ringen im Gerätturnen zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurde das Schwung- und Krafthalteelement Stemme rückwärts zum Kreuzhang gewählt und analysiert.
Die Datenerhebung erfolgte im Rahmen der Europameisterschaften 2022 in München. Für die Analyse der Kraftanforderungen wurde die vertikale Kraft in den Aufhängungen der Ringe mit eindimensionalen Kraftsensoren gemessen und für die Analyse der Kinematik ein markerloses Bewegungserfassungssystem eingesetzt.
Insgesamt wurden die Ausführungen von 17 professionellen Turnern untersucht. Für die Analyse der Kinematik wurden vier Ausführungsparameter bestimmt und deren Einfluss auf den Kraftbedarf statistisch analysiert, wobei die Kraftdaten auf das jeweilige Körpergewicht normiert wurden und das relative Kraftmaximum als Bezugspunkt für den Kraftbedarf gewählt wurde. Bei den vier Ausführungsparametern handelte es sich um die maximale Körpervorneigung während des Rückschwungs vor der Stemmbewegung des Elementes, den minimalen Arm-Rumpf-Winkel (ARW) während des Elementverlaufs, die höchste Position des Körperschwerpunktes (KSP) während des Elementverlaufs und die Distanz, um die der KSP von der höchsten Position in den Kreuzhang absinkt.
Es zeigte sich eine signifikante Korrelation zwischen der höchsten KSP-Position und dem Kraftmaximum. Für die anderen Ausführungsparameter konnten Tendenzen ermittelt werden. Darüber hinaus konnten die Korrelationen der Parameter untereinander zu zwei Ausführungsvarianten zusammengefasst werden. Dabei führt eine Ausführungsvariante zu einem größeren relativen Kraftmaximum und zu größeren Abzügen als die anderen. Die biomechanische Betrachtung dieser Ausführungsvarianten ergab jedoch, dass die Ausführungsvariante mit dem größeren mittleren Kraftmaximum dennoch leichter auszuführen ist, während die andere Ausführungsvariante in der Durchführung anspruchsvoller ist und besser bewertet wird.
Injury prevention is essential in running due to the risk of overuse injury development. Tailoring running shoes to individual needs may be a promising strategy to reduce this risk. Novel manufacturing processes allow the production of individualised running shoes that incorporate features that meet individual biomechanical and experiential needs. However, specific ways to individualise footwear to reduce injury risk are poorly understood. Therefore, this scoping review provides an overview of (1) footwear design features that have the potential for individualisation; and (2) the literature on the differential responses to footwear design features between selected groups of individuals. These purposes focus exclusively on reducing the risk of overuse injuries. We included studies in the English language on adults that analysed: (1) potential interaction effects between footwear design features and subgroups of runners or covariates (e.g., age, sex) for running-related biomechanical risk factors or injury incidences; (2) footwear comfort perception for a systematically modified footwear design feature. Most of the included articles (n = 107) analysed male runners. Female runners may be more susceptible to footwear-induced changes and overuse injury development; future research should target more heterogonous sampling. Several footwear design features (e.g., midsole characteristics, upper, outsole profile) show potential for individualisation. However, the literature addressing individualised footwear solutions and the potential to reduce biomechanical risk factors is limited. Future studies should leverage more extensive data collections considering relevant covariates and subgroups while systematically modifying isolated footwear design features to inform footwear individualisation.
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.
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.
In this paper, the J-integral is derived for temperature-dependent elastic–plastic materials described by incremental plasticity. It is implemented using the equivalent domain integral method for assessment of three-dimensional cracks based on results of finite-element calculations. The J-integral considers contributions from inhomogeneous temperature fields and temperature-dependent elastic and plastic material properties as well as from gradients in the plastic strains and the hardening variables. Different energy densities are considered, the Helmholtz free energy and the stress-working density, providing a physical meaning of the J-integral as a fracture criteria for crack growth. Results obtained for a plate with two different crack configurations each loaded by a cool-down thermal shock show domain-independence of the incremental J-integral for different energy densities even for high temperature gradients and significant temperature-dependence of the yield stress and the hardening exponent in the presence of large scale yielding. Hence, the derived J-integral is an appropriate parameter for the assessment of cracks in thermomechanically loaded components.
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.
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.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, zwei unterschiedliche Bewegungserfassungssysteme zu vergleichen. Dabei wird die neue Technologie der markerlosen Bewegungserfassung mit der gängigen markerbasierten Methode verglichen. Es sollen Aspekte wie Aufbau, Vorbereitung, Durchführung, Nachbearbeitung und Messergebnisse analysiert und gegenübergestellt werden.
Im Rahmen einer Querschnittsstudie wurden insgesamt 27 Probanden bei Richtungswechsel mit unterschiedlichen Winkeln in drei verschiedenen Geschwindigkeiten gemessen. Dabei nahmen beide Systeme gleichzeitig in Verbindung mit zwei Kraftmessplatten die Bewegung auf. Von jeder Geschwindigkeit wurden drei gültige Durchläufe aufgezeichnet und anschließend das Knieabduktionsmoment betrachtet. Über das maximale und minimale Knieabduktionsmoment hat für jeden Winkel und Geschwindigkeit ein Vergleich der beiden Systeme stattgefunden.
Aufbau, Vorbereitung und Durchführung des markerlosen Systems erwiesen sich als deutlich einfacher und reibungsloser. Bei dem markerbasierten System ging viel Zeit für die Systemkalibrierung, das Aufkleben von Markern oder das Wiederholen der Messung durch abfallende Marker verloren. Auch die Datennachbearbeitung ist bei dem markerbasierten System deutlich zeitaufwendiger. Die markerlosen Daten werden allerdings fix ausgegeben und können bei auftretenden Fehlern nicht bearbeitet werden.
Die beiden Systeme wurden zum Schluss anhand des gemessenen Maximums und Minimums des Knieabduktionsmoments verglichen. Insgesamt messen die beiden Systeme durchschnittlich ein unterschiedliches Maximum von 0,2 +- 0,33, bei dem Minimum lag die gesamte durchschnittliche Differenz der beiden Systeme bei -0,34 +- 0,65. Das markerlose System zeigte durchschnittlich höhere Maxima und niedrigere Minima als das markerbasierte System auf. Durch die teilweise starken Messunterschiede und auftretenden Messfehler des markerlosen Systems, sollten die Messergebnisse des Knieabduktionsmoments zur Beurteilung von Rupturen des vorderen Kreuzbandes kritisch hinterfragt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
This thesis deals with the FEV centrifugal compressor teststand at Offenburg University of Applied Sciences. The teststand has two electrically operated compressorunits from the Rotrex company, on which students can gain practical experience. The range of application of the teststand is to be extended, so that different impeller geometries can be tested with otherwise unchanged construction. To realise this, knowledge about the operating behaviour of the volute and possible design solutions for the interface between the impeller and the gearbox are required. Using numerical methods for flow analysis, the operating range of the volute was determined by narrowing down the inlet conditions. Furthermore, research was carried out on common couplings, three different coupling concepts were worked out and compared with each other. This work does the preliminary work and thus lays the foundation for the implementation of the upcoming series of tests on the operating behaviour of different impeller geometries.
Das Ziel dieser Arbeit war es zu prüfen, ob bei der Verwendung von Perturbationen in einem Laufschuhvergleich eine Adaptations-Phase im Voraus durchgeführt werden sollte, um den Einfluss potenzieller Adaptationseffekte zu reduzieren. Dafür absolvierten die acht Probanden insgesamt 15 Perturbationen auf einem Laufband, welche sich durch die kurzzeitige Beschleunigung des Laufbands von 2,5 𝑚/𝑠 auf 3,5 𝑚/𝑠 kennzeichneten. Anschließend wurden aus den normalisierten Daten die initialen Gelenkswinkel bei Bodenkontakt im Knie und Sprunggelenk, die minimale bzw. maximale Bodenreaktionskraft in x- bzw. z-Richtung und die Bodenkontaktzeit bestimmt. Um sowohl potenzielle Vorwärtssteuerungen als auch Feedbackbezogene lokomotorische Anpassung zu berücksichtigen, wurden die zwei Schritte vor der Perturbation, der perturbierte Schritt und die drei Schritte nach der Perturbation analysiert. Neben deskriptiver Statistik wurden die einzelnen Schritte mittels Varianzanalyse und paarweisen t-Tests aufeinanderfolgender Trials untersucht. Der initiale Sprunggelenkswinkel zeigt zwar einen Einfluss der Perturbationen im zweiten und dritten Schritt nach der Perturbation, aber es lässt sich keine Anpassung im Verlauf der Messung feststellen. Auch bei der Bodenkontaktzeit lassen sich Unterschiede in den Messwerten und zwischen den Schritten finden, diese können allerdings ebenfalls nicht der Adaptation zugeordnet werden. Die Entwicklung der Mittelwerte und signifikante Ergebnisse in ANOVA und t-Tests deuten beim initialen Kniewinkel für den zweiten und dritten Schritt nach der Perturbation auf eine sukzessive Anpassung des Parameters an den Einfluss der Störung hin, welche nach acht Perturbationen abgeschlossen ist. Für die minimale Bodenreaktionskraft in x-Richtung (Bremskraft) befinden sich die Daten dagegen bereits nach einem Trial auf einem stabilen Niveau, wobei die Abweichungen hier ebenfalls im zweiten Schritt nach der Beschleunigung des Laufbands auftreten. Die maximale vertikale Bodenreaktionskraft (z-Richtung) zeigt Tendenzen zu einer fortschreitenden Anpassung im ersten und zweiten Schritt nach der Perturbation. Hier lassen sich aufgrund des Verlaufs der Mittelwerte und signifikanter Unterschiede beim ersten Schritt sechs Trials als Mindestanzahl für eine Adaptations-Phase ausmachen. Somit konnten in drei von fünf analysierten Parameter Merkmale von Adaptationseffekten gefunden werden, die sich alle in den Schritten nach der Perturbation zeigten und somit Feedbackbezogener Anpassung zuzuordnen sind. Sofern alle Parameter in der anschließenden Messung verwendet werden, sollten in der Adaptations-Phase mindestens acht Perturbationen durchgeführt werden, damit der Einfluss von Anpassungseffekten im Vergleich vernachlässigbar ist.
Rupturen des vorderen Kreuzbandes werden meist mit einer Kreuzbandplastik-Operation wiederhergestellt. Bei einer gängigen OP-Methode wird hierbei Sehnenmaterial am Semitendinosus-Muskel entnommen, und mit diesem gewonnenen Sehnenmaterial das Kreuzband rekonstruiert. Dies hat zur Folge, dass es zu neuromuskulären Defiziten und dem Verhalten der Co-Kontraktion von Quadrizeps und Hamstrings kommen kann. Weitere Folgen sind Muskelschwäche und ein weniger flektiertes Verhalten in der Stützphase beim Gehen am operierten Bein. Das Auftreten von Co-Kontraktion beim Laufen ist im Zusammenhang mit einer expliziten Co-Kontraktionsberechnung noch nicht ausreichend untersucht worden. Auch ist unklar, welchen Einfluss die Kraftfähigkeiten auf Co-Kontraktion und Gelenkwinkel haben. In dieser Studie soll untersucht werden, inwieweit diese Effekte auch bei der Bewegung des Laufens auftreten. Mögliche Zusammenhänge zwischen Kraft/Co-Kontraktion und Kraft/Kniegelenkswinkel werden ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse sollen einen Beitrag zum Verständnis der Mechanismen und damit auch zur Verbesserung der Rehabilitationsprozesse leisten. Im Rahmen von „Return to Sport“ Messungen wurden im IFD Colgone über einen Zeitraum von zwei Jahren „Return to Sport“ Messungen durchgeführt und relevante biomechanische Parameter erfasst. Die Untersuchungen fanden im Durchschnitt sieben Monate nach der Kreuzbandoperation statt. Innerhalb der Studie wurden 26 Patientendaten ausgewertet. Die Co-Kontraktion wurde durch Auswertung der EMG-Daten mit Hilfe einer Formel bestimmt. Die Patienten zeigten unabhängig vom Geschlecht signifikant erhöhte Co-Kontraktionswerte, reduzierte Kniegelenkswinkel und reduzierte Kraftfähigkeiten am operierten Bein. Dabei konnten die erhöhten Co- Kontraktionswerte als auch weniger flektierte Kniewinkel nicht bei allen Patienten der Stichprobe auf deren schlechte Kraftfähigkeit zurückgeführt werden. Hier gab es leichte Zusammenhänge aber keine signifikanten Ergebnisse. Da Co-Kontraktion als auch reduzierte Kniegelenkswinkel mit unterschiedlichsten Problemen in Verbindung gebracht werden können, sollte daran mit Hilfe von angepassten Reha- Maßnahmen gearbeitet werden. Rehabilitationsprozesse sollten verschiedene Kraft- und Koordinationsfähigkeiten fördern, mit dem Ziel, das neuromuskuläre Zusammenspiel zu verbessern.
Turbocharger housings in internal combustion engines are subjected to severe mechanical and thermal cyclic loads throughout their life-time or during engine testing. The combination of thermal transients and mechanical load cycling results in a complex evolution of damage, leading to thermo-mechanical fatigue (TMF) of the material. For the computational TMF life assessment of high temperature components, the DTMF model can provide reliable TMF life predictions. The model is based on a short fatigue crack growth law and uses local finite-element (FE) results to predict the number of cycles to failure for a technical crack. In engine applications, it is nowadays often acceptable to have short cracks as long as they do not propagate and cause loss of function of the component. Thus, it is necessary to predict not only potential crack locations and the corresponding number of cycles for a technical crack, but also to determine subsequent crack growth or even a possible crack arrest. In this work, a method is proposed that allows the simulation of TMF crack growth in high temperature components using FE simulations and non-linear fracture mechanics (NLFM).
A NLFM based crack growth simulation method is described. This method starts with the FE analysis of a component. In this paper, the method is demonstrated for an automotive turbocharger housing subjected to TMF loading. A transient elastic-viscoplastic FE analysis is used to simulate four heating and cooling cycles of an engine test. The stresses, inelastic strains, and temperature histories from the FEA are then used to perform TMF life predictions using the standard DTMF model. The crack position and the crack plane of critical hotspots are then identified. Simulated cracks are inserted at the hotspots. For the model demonstrated, cracks were inserted at two hotspot locations. The ΔJ integral is computed as a fracture mechanics parameter at each point along the crack-front, and the crack extension of each point is then evaluated, allowing the crack to grow iteratively. The paper concludes with a comparison of the crack growth curves for both hotspots with experimental results.
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.
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.
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.
Einfluss der Zehenfreiheit auf die dynamische Stabilität bei medio-lateralen Laufbandperturbationen
(2023)
Das Tragen von Barfußschuhen, so die These, führt zu einem natürlichen und damit gesunden Gangbild. Ein Merkmal des Barfußschuhs ist die breite Zehenbox, die eine maximale Zehenfreiheit gewährleistet. In dieser Studie wurde der Faktor Schuhweite hinsichtlich seines Einflusses auf die Gangstabilität untersucht. Mit dem GRAIL-System wurden 28 Probanden in jeweils vier Schuhkonditionen (Wash out = eigene Schuhe, schmal, breit, Tape) und 3 Trials (Baseline, Perturbations, Simulated Inebriation) mittels Motion Tracking erfasst. Die Gangstabilität wurde anhand von 𝑀𝑜𝑆 (𝑀𝑎𝑟𝑔𝑖𝑛 𝑜𝑓 𝑆𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦), 𝑃𝑜𝐼 (𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦 𝑜𝑓 𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦), Schrittbreite und Schrittdauer beurteilt.
Es konnte kein signifikanter Einfluss der Schuhweite auf die Gangstabilität festgestellt werden. Dagegen ist das Alter ein signifikanter Einflussfaktor (ältere Probanden gehen weniger sicher) sowie die Art des Trials (simulated Inebriation ist am unsichersten). Zusätzlich wurden die Probanden in eine BX (Barefoot Experienced) und eine BUX (Barefoot Unexperienced) Gruppe eingeteilt, um zu untersuchen, ob es einen Unterschied macht, ob ein Proband in der Vergangenheit bereits Barfußschuhe getragen hat. Im Vergleich zur BUX-Gruppe war das Gangbild der BX-Gruppe durch folgende Merkmale gekennzeichnet: kürzere Schrittdauer, breitere Schritte und niedrigere 𝑃𝑜𝐼-Werte (in den Barfußschuhen).
Es kann vermutet werden, dass Personen mit Barfußschuherfahrung in einer neuen Schuhkondition sicherer gehen, weil sie unabhängiger vom Schuh sind. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die BX-Personen durch das Barfußlaufen stärkere Fußstrukturen entwickelt haben, die sich unabhängig vom Schuh positiv auf das Gangbild auswirken. Somit wirken sich Barfußschuhe erst langfristig positiv auf den Gang aus.
Zur ergonomischen Unterstützung von Industriearbeitern werden zunehmend Exoskelette eingesetzt. Studien über die Wirkung und den Einfluss von Exoskeletten auf den Körper sind jedoch rar. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Wirkung des Rückenexoskeletts BionicBack des deutschen Exoskelett Herstellers hTRIUS auf die Wirbelsäulenkrümmung bei industriellen Hebearbeiten. Im Speziellen wird die Wirbelsäulenkrümmung beim Umpalettieren aus drei verschiedenen Hebehöhen (91 cm, 59 cm, 15 cm) mit Hilfe eines markerbasierten 3D Motion Capture Systems untersucht. Um den Versuchsaufbau alltagsnah und realistisch zu gestalten, wurde diese Pilotstudie in Kooperation mit der Firma Zehnder am Standort Lahr durchgeführt, die sowohl die Probanden als auch den Versuchsaufbau zur Verfügung stellte. Vier gesunde männliche Probanden mit einem durchschnittlichen Alter von 39,5 Jahren (SD = 6,5), einem durchschnittlichen Körpergewicht von 72,75 kg (SD = 7,1) und einer durchschnittlichen Körpergröße von 175 cm (SD = 2,6) wurden in zwei Schichten eingeteilt. Mit den Probanden wurden vor und nach der Schicht sowie an zwei aufeinander folgenden Tagen Messungen durchgeführt, wobei an einem Tag das BionicBack während der Arbeit und der Messung getragen wurde und am an-deren Tag nicht. Während einer Messung nahmen die Testpersonen ein Paket mit einem Gewicht von 21,1 kg dreimal von jeder Hebehöhe von einer Palette auf und legten es auf einer anderen ab. Anschließend wurde die Krümmung der Wirbelsäule am tiefsten Punkt der Hebebewegung untersucht, wobei die Gesamtkrümmung in dieser Position durch die Addition von drei repräsentativen Segmentwinkeln dargestellt wird. Die Abweichung dieser Gesamtkrümmungen in der tiefsten Beugeposition von der individuellen neutralen Wirbelsäulenstellung der Probanden im Stehen ergeben die Werte, die zwischen den einzelnen Versuchsbedingungen verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das BionicBack den Abstand zur Neutralstellung bzw. die Gesamtkrümmung des Rückens im Vergleich zu ohne BionicBack bis zu -11,5° (Median: -11,5° (SD = 5,2); Mittelwert: -8,4° (SD = 6,4)) entsprechend -30% vor der Schicht und bis zu -5,6° (Median: -5,6° (SD = 3,5); Mittelwert: -4,1° (SD = 5,4)) ent-sprechend -17% nach der Schicht reduzieren kann. Die Betrachtung der einzelnen Segmentwinkel zeigt, dass die Reduzierung des Abstandes von der Neutralstellung hauptsächlich im Lendenwirbelbereich stattfindet. Der Vergleich der Wirbelsäulen-krümmung vor und nach der Schicht ohne BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulen-krümmung nach der Schicht, mit Ausnahme der tiefsten Hebehöhe, eine größere Abweichung von der Neutralstellung aufweist als vor der Schicht. Der Vergleich mit BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulenkrümmung nach der Schicht mit Ausnahme der niedrigsten Hubhöhe nicht bzw. weniger von der Neutralstellung abweicht als vor der Schicht. Aufgrund der Ergebnisse wird vermutet, dass das BionicBack durch die Unterstützung einer neutraleren Rückenhaltung das Verletzungsrisiko reduzieren kann. Des Weiteren wird vermutet, dass die Muskelermüdung während einer Arbeitsschicht einen Einfluss auf die Wirbelsäulenkrümmung beim Heben hat. Es wird angenommen, dass dieser Einfluss durch das BionicBack reduziert werden kann. Allerdings dürfen die Grenzen dieser Pilotstudie nicht außer Acht gelassen werden. Sei es die Anzahl der Versuchspersonen, die keine Aussage über die Allgemeingültigkeit zu-lässt und keine effektive statistische Analyse erlaubt, oder systematische Fehler, die aufgrund der Modellvereinfachung und der Methodik auftreten können. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Ergebnisse zu validieren. Diese Arbeit soll die Grundlage für weitere Studien mit einer weiterentwickelten Methodik und einer größeren Anzahl von Probanden bilden.
In 4D printing an additively manufactured component is given the ability to change its shape or function under the influence of an external stimulus. To achieve this, special smart materials are used that are able to react to external stimuli in a specific way. So far, a number of different stimuli have already been investigated and initial applications have been impressively demonstrated, such as self-folding bodies and simple grippers. However, a methodical specification for the selection of the stimuli and their implementation was not yet in the foreground of the development.
The focus of this work is therefore to develop a methodical approach with which the technology of 4DP can be used in a solution- and application-oriented manner. The developed approach is based on the conventional design methodology for product development to solve given problems in a structured way. This method is extended by specific approaches under consideration of the 4D printing and smart materials.
To illustrate the developed method, it is implemented in practice using a problem definition in the form of an application example. In this example, which represents the recovery of an object from a difficult-to-access environment, the individual functions of positioning, gripping and extraction are implemented using 4D printing. The material extrusion process is used for additive manufacturing of all components of the example. Finally, the functions are successfully tested. The developed approach offers an innovative and methodical approach to systematically solve technical complex problems using 4DP and smart materials.
Die vorliegende Pilotstudie untersucht die Anwendbarkeit von Mixed Reality zur Applikation eines externen Fokus während spezifischen Bewegungsaufgaben mit dem Ziel der Verbesserung des Return to Sport Testings. In einem ersten Schritt nahmen daher 9 gesunde FußballerInnen an der Studie teil.
Es wurden Sprünge mittels der speziell entwickelten Mixed Reality Anwendung MotumXR, in drei verschiedenen Bedingungen verglichen. Die erste Bedingung entspricht einem standardisierten vertikalen Sprung ohne spielspezifischen externen Fokus, während die zweite und dritte Bedingung einen Sprung mit spielspezifischem externem Fokus, im Sinne eines simulierten Kopfballs, darstellt. Bedingung zwei und drei unterscheiden sich in der Position der einwerfenden Person, welche den virtuellen Ball leicht versetzt von links oder rechts einwirft. Als Sprungform wurde der Counter Movement Jump gewählt. Es wurden kinetische und kinematische Parameter ermittelt, die es ermöglichen, die Auswirkungen des externen Fokus auf die Sprungbewegung zu erfassen.
Die Ergebnisse zeigen signifikante Unterschiede zwischen den Bedingungen in folgenden biomechanischen Parametern: Absprungzeit, vertikale maximale Bodenreaktionskraft, maximale Kraftanstiegsrate, maximaler Knieflexionswinkel und maximales Knieflexionsmoment. Die Kopfballsituation mit externem spielspezifischem Fokus weißen höhere maximale vertikale Bodenreaktionskräfte und gesteigerte maximale Knieflexionsmomente auf im Vergleich zu der Bedingung des maximalen Sprungs. Diese Befunde deuten darauf hin, dass die Sprungstrategie entsprechend der Aufgabenstellung angepasst wurde und die Kopfballsituation in der Mixed Reality Umgebung eine realitätsnähere Testung ermöglichen könnte. Die Position des Einwerfers zeigt keinen Einfluss auf die Beinsymmetrie. Das deutet darauf hin, dass die Anwendung MotumXR vielversprechende Möglichkeiten für die Weiterentwicklung von RTS-Testungen bietet. Weiterführende Untersuchung, die Personen mit Kreuzbandverletzungen mit einbeziehen, sind nötig, um die Ergebnisse dieser Pilotstudie kritisch zu überprüfen.
Sweaty has already participated several times in RoboCup soccer competitions (Adult Size). Now the work is focused coordinating the play of two robots. Moreover, we are working on stabilizing the gait by adding additional sensor information. An ongoing work is the optimization of the control strategy by balancing between impedance and position control. By minimizing the jerk, gait and overall gameplay should improve significantly.
Das hocheffiziente Konzeptfahrzeug Schluckspecht VI (S6) hat im Sommer 2022 am Shell Eco Marathon als bestes Neufahrzeug abgeschlossen. Dennoch war die Reichweite von 560km/kWh nicht ausreichend, um sich gegen die anderen teilnehmenden Teams zu behaupten. Daher werden am Fahrzeug die Komponenten und Systeme ermittelt, welche das meiste Optimierungspotential bergen. Hierbei stechen besonders die Aerodynamik, die Motoransteuerung und die Rollreibung hervor. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit der aerodynamischen Optimierung. Zunächst gilt es herauszufinden, welche Bauteile explizit für die Aerodynamik ausschlaggebend sind. Die drei Komponenten, die maßgeblichen Einfluss haben sind: der Grundkörper, die Radkästen und die Fahrwerksflügel. Einen weiteren Einflussfaktor bergen die sich drehenden Räder, da diese jedoch weitestgehend umhaust sind, ist in dieser Hinsicht keine weitere Optimierung erforderlich. Zu Ermittlung der derzeitigen aerodynamischen Werte, vor allem cW, cWA und Geschwindigkeits- und Druckverteilung um das Fahrzeug, wird ein digitales Modell des S6 aufgebaut. An diesem Modell werden Simulationen durchgeführt, die idealisierte Kennwerte liefern. Parallel zur Simulation liefern Versuche am Fahrzeug reale Messdaten. Speziell dafür wird eine neue Versuchsmethode entwickelt: die Konstantfahrtuntersuchung. Bei dieser Untersuchung wird die Vortriebskraft des Fahrzeugs anhand des Motorstroms ermittelt, um so auf die Fahrtwiderstandswerte zu schließen. Zur Erhebung der Messdaten am Fahrzeug wird zudem ein für die Untersuchung angepasster Sensor entwickelt. Diese Untersuchungen liefern plausible Ergebnisse, die jedoch mit denen der Simulation schwer vergleichbar sind. Dies ist bedingt durch die erschwerten Randbedingungen bei der Durchführung der Versuche und beim Aufzeichnen der Messdaten auf der Teststrecke.
Estimation and projecting total steel industry production costs from 2019 to 2030 for Germany
(2023)
This thesis analyses the total production cost of the German steel industry from 2019 to 2022, as well as a projection of the German steel industry's total production cost until 2030. The research separates the costs of steel production into their primary components, such as raw materials, energy, CO2 cost, capital expenses and operating expenses. The cost of steel production is determined separately for primary steelmaking with the blast furnace and basic oxygen furnace (BF-BOF) and secondary steelmaking with the electric arc furnace (EAF).
The analysis indicates that, following the COVID-19 disaster and the fuel crisis, the overall cost of producing steel in Germany has progressively risen over the previous few years, reaching its peak in the first half of 2022. In addition, there are considerable disparities between the production costs of primary and secondary steelmaking processes, with primary steelmaking generally being more expensive.
In this analysis, the total cost of production for the German steel industry in the year 2030 has been estimated by taking into account historical trends as well as other predictions that are currently available.
This thesis provides overall insights on the economics of the German steel sector. By giving thorough information on production costs and changes over time, this research can assist guide crucial future investment decisions in this essential industry. To ensure long-term success, our findings emphasize the significance of investing in more sustainable and ecologically friendly steel production processes.
Enzyme‐assisted HPTLC method for the simultaneous analysis of inositol phosphates and phosphate
(2023)
Background
The analysis of myo‐inositol phosphates (InsPx) released by phytases during phytic acid degradation is challenging and time‐consuming, particularly in terms of sample preparation, isomer separation, and detection. However, a fast and robust analysis method is crucial when screening for phytases during protein engineering approaches, which result in a large number of samples, to ensure reliable identification of promising novel enzymes or target variants with improved characteristics, for example, pH range, thermal stability, and phosphate release kinetics.
Results
The simultaneous analysis of several InsPx (InsP1‐InsP4 and InsP5 + 6) as well as free phosphate was established on cellulose HPTLC plates using a buffered mobile phase. Inositol phosphates were subsequently stained using a novel enzyme‐assisted staining procedure. Immobilized InsPx were hydrolyzed by a phytase solution of Quantum® Blueliquid 5G followed by a molybdate reagent derivatization. Resulting blue zones were captured by DAD scan. The method shows good repeatability (intra‐day and intra‐lab) with maximum deviations of the Rf value of 0.01. The HPTLC method was applied to three commercially available phytases at two pH levels relevant to the gastrointestinal tract of poultry (pH 5.5 and pH 3.6) to observe their phytate degradation pattern and thus visualize their InsPx fingerprint.
Conclusion
This HPTLC method presents a semi‐high‐throughput analysis for the simultaneous analysis of phytic acid and the resulting lower inositol phosphates after its enzymatic hydrolysis and is also an effective tool to visualize the InsPx fingerprints and possible accumulations of inositol phosphates.
The effects of climate change, including severe storms, heat waves, and melting glaciers, are highlighted as an urgent concern, emphasising the need to decrease carbon emissions to restrict global warming to 1.5°C. To accomplish this goal, it is vital to substitute fossil fuel-based power plants with renewable energy sources like solar, wind, hydro, and biofuels. Despite some progress being made, the proportion of renewables used in generating electricity is still lower than the levels needed for 2030 and 2050. Decarbonising the power grid is also critical in lowering the energy consumption of buildings, which is responsible for a substantial percentage of worldwide electricity usage. Even though there has been substantial expansion in the worldwide renewable energy market in the past 15 years, the transition to renewable energy sources also requires taking into account the importance of energy trading.
Peer-to-peer (P2P) electricity trading is an emerging type of energy exchange that can revolutionise the energy sector by providing a more decentralised and efficient way of trading energy. This research deals about P2P electricity trading in a carbon-neutral scenario. 'Python for Power System Analysis' (PyPSA) was used to develop models through which the P2P effect was tested. Data for the entire state of Baden-Württemberg (BW) was collected. Three scenarios were taken into consideration while developing models: 2019 (base), 2030 (coal phase-out), and 2040(climate neutral). Alongside this, another model with no P2P trading was developed to make a comparison. In addition, the use case of community storage in a P2P trading network is also presented.
The research concludes that P2P has a significant positive effect on a pathway to achieve climate neutrality. The findings show that the share of renewables in electricity generation is increasing compared to conventional sources in BW, which can be traded to meet the demand. From the storage analysis, it can be concluded that community storage can be effectively utilised in P2P trading. While the emissions are reduced, the operating costs are also reduced when the grid has P2P trading available. By highlighting the benefits of P2P trading, this research contributed to the growing body of research on the effectiveness of P2P trading in an electricity network grid.
Building energy management systems (BEMSs), dedicated to sustainable buildings, may have additional duties, such as hosting efficient energy management systems (EMSs) algorithms. This duty can become crucial when operating renewable energy sources (RES) and eventual electric energy storage systems (ESSs). Sophisticated EMS approaches that aim to manage RES and ESSs in real time may need high computing capabilities that BEMSs typically cannot provide. This article addresses and validates a fuzzy logic-based EMS for the optimal management of photovoltaic (PV) systems with lead-acid ESSs using an edge computing technology. The proposed method is tested on a real smart grid prototype in comparison with a classical rule-based EMS for different weather conditions. The goal is to investigate the efficacy of islanding the building local network as a control command, along with ESS power control. The results show the implementation feasibility and performance of the fuzzy algorithm in the optimal management of ESSs in both operation modes: grid-connected and islanded modes.
One of the main problematics of the seals tests is the time and money consuming they are. Up to now, there are few tries to do a digitalisation of a test where the seals behaviour can be known.
This work aims to digitally reproduce a seal test to extract their behaviour when working under different operation conditions to see their impact on the pimp’s efficiency. In this thesis, due to the Lomaking effect, the leakage and the forces applied on the stator will be the base of analysis.
First of all, among all the literature available for very different kind of seals and inner patterns, it has been chosen the most appropriate and precise data. The data chosen is “Test results for liquid Damper Seals using a Round-Hole Roughness Pattern for the Stator” from Fayolle, P. and “Static and Rotordynamic Characteristics of Liquid Annular Seals with Circumferentially/Grooved Stator and Smooth Rotor using three levels of circumferential Inlet-Fluid” from Torres J.M.
From the literature, dimensions of the test rig and the seals will be extracted to model them into a 3D CAD software. With the 3D CAD digitalisation, the fluid volumes for a rotor-centred position, meaning without eccentricity, will be extracted, and used. The following components have been modelled:
- Smooth Annular Liquid Seal (Grooved Rotor)
- Grooved Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Round-Hole Pattern Annular Liquid Seal (𝐻𝑑=2 𝑚𝑚) (Smooth Rotor)
- Straight Honeycomb Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Convergent Honeycomb Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Smooth Rotor / Smooth Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
As there is just one test rig, all the components have been adapted to the different dimensions of the seals by referencing some measures. This allows to test any seal with the same test rig.
Afterwards a CFD simulation that will be used to obtain leakage and stator forces. The parameters that will be changed are the rotational velocity of the fluid (2000 rpm, 4000 rpm, and 6000 rpm) and the pressure drop (2,068 bar, 4,137 bar, 6,205 bar, and 8,274 bar).
Those results will be compared to the literature ones, and they will determine if digitalisation can be validated or not. Even though the relative error is higher than 5% but the tendency is the same and it is thought that by changing some parameters the test results can be even closer to the literature ones.
Die Analytik von Pflanzenkohle ist besonders im Hinblick auf einen möglichen Einsatz in der Landwirtschaft als Düngemittel Ersatz wichtig, da bei der Herstellung krebserregende polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) entstehen. Die PAK-Analytik bietet die Möglichkeit zu überprüfen und zu kontrollieren, wie viel belastetes Material auf diese Weise in die Umwelt eingeführt wird. In dieser Arbeit werden mögliche Methoden zur Extraktion und Analyse im Hinblick auf einen Schnelltest mit der bestehenden Methode bestehend aus Soxhlet-Extraktion und GC-MS Analyse verglichen. Untersucht werden die 16 EPA-PAK. Ein Schnelltest würde den Herstellern von Pflanzenkohle eine günstigere und engmaschigere Überwachung ihrer Produkte bieten.
Für die Extraktion wurden Ultraschallbad, Schüttler und Mikrowelle getestet, sowie verschiedene grüne Lösemittel als mögliche Alternativen zum momentan verwendeten Toluol. Die Extraktion mit 6 h Ultraschallbad hat mit 64% im Verhältnis zur Soxhlet am besten abgeschnitten. Bei dem Vergleich zweier Ultraschallbad-Extrakte mit den Soxhlet-Referenzen wurden jedoch 43 % und 93 % für die Summe der 16 EPA PAK gemessen. Die Methode bedarf also weiterer Untersuchungen.
Für die Analyse wurde HPTLC mit RP-18 Platten und einem Acetonitril-Wasser-Gemisch als mobile Phase getestet. Es wurden drei mögliche Methoden für die Gestaltung eines Schnelltestes getestet, ein Summenpeak mit allen 16 EPA-PAK und Naphthalin oder Benzo[a]pyren als Indikatorsubstanz. Aus diesen Versuchen geht das Standard-Additionsverfahren mit Benzo[a]pyren erfolgreich hervor, da die Ergebnisse durch die GC-MS-Analyse der gleichen Extrakte bestätigt werden konnten. Die Bestimmung von LOD und LOQ bestätigt, dass die Methode empfindlich genug ist, um den nötigen Messbereich erfassen zu können. Es wurden auch Versuche mit Coffein imprägnierten Platten durchgeführt. Diese Methode ist jedoch wegen der notwendigen Zweifachentwicklung deutlich aufwendiger und wurde daher nicht für die quantitativen Versuche gewählt.
Erstellung eines Zuverlässigkeitskonzepts für die Welle-Nabe-Verbindung kleiner Elektromotoren
(2023)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erstellung eines Zuverlässigkeitskonzepts für die Welle-Nabe-Verbindung mit gekerbten Wellen, die innerhalb kleiner Elektromotoren für unterschiedliche Anwendungen mit spezifischen Anforderungen eingesetzt werden. Die Arbeit kann in vier Schritte unterteilt werden.
Im ersten Schritt werden die relevanten Schädigungsmechanismen bestimmt, die während der Betriebszeit der Verbindung für ein Ausfall der Baugruppe sorgen können.
Anschließend wurde aus der Baukastenannahme des Geschäftsbereichs Electrical Drives der Robert Bosch GmbH die Anforderungen an die jeweilige Ausführung abgeleitet und aufgeführt.
Um zu überprüfen, ob die eingesetzten Welle-Nabe-Verbindung die entstehenden Belastungen übersteht, wurde anschließend ein Berechnungskonzept durch Anpassungen an die spezielle eingesetzte Welle-Nabe-Verbindung erstellt, wodurch der Anwender die Möglichkeit hat, die zu erwartenden Fügekräfte bei der Herstellung der Verbindung, sowie das jeweilige übertragbare Drehmoment.
Im letzten Schritt werden die gesammelten berechneten Ergebnisse mit bereits vorhandenen Versuchsdaten der Ausführungen mit Einsatz einer 8 mm Welle aus C60 +C und einer Kerbanzahl von 8 symmetrisch angeordneten Kerben und einer Paketlänge von 18 mm , sowie einer Ausführung mit 8 mm Wellen aus C45 +AC, die lokal induktiv vergütet wurden, mit einer Kerbanzahl von 4 symmetrischen Kerben mit einer Paketlänge von 23 mm verglichen und evaluiert.
In recent years, the demand for reliable power, driven by sensitive electronic equipment, has surged. Even minor deviations from the nominal supply can lead to malfunctions or failure. Despite technological advancements, power quality issues persist due to various factors like short circuits, overloads, voltage fluctuations, unbalanced loads, and non-linear loads.
This thesis extensively explores power quality anomalies in industrial and commercial sectors, using power system data as the primary analytical resource. It addresses the critical need for power supply reliability in today's evolving power grid industry, affected by non-linear loads, renewable energy integration, and electric vehicles. This field of study is paramount for ensuring power supply reliability and stability in the evolving power grid industry.
The core of this thesis involves a comprehensive investigation of power quality, with a focus on frequency, power, and harmonics in voltage and current signals. The research employs Python programming for advanced data analysis, utilizing techniques such as advanced Fast Fourier Transformation (FFT) analysis. The primary objective is to provide valuable insights aimed at elevating power supply quality and enhancing reliability in both industrial and commercial environments.
Purpose
To summarize the mechanical loading of the spine in different activities of daily living and sports.
Methods
Since the direct measurement is not feasible in sports activities, a mathematical model was applied to quantify spinal loading of more than 600 physical tasks in more than 200 athletes from several sports disciplines. The outcome is compression and torque (normalized to body weight/mass) at L4/L5.
Results
The data demonstrate high compressive forces on the lumbar spine in sport-related activities, which are much higher than forces reported in normal daily activities and work tasks. Especially ballistic jumping and landing skills yield high estimated compression at L4/L5 of more than ten times body weight. Jumping, landing, heavy lifting and weight training in sports demonstrate compression forces significantly higher than guideline recommendations for working tasks.
Conclusion
These results may help to identify acute and long-term risks of low back pain and, thus, may guide the development of preventive interventions for low back pain or injury in athletes.
Appraising the Methodological Quality of Sports Injury Video Analysis Studies: The QA-SIVAS Scale
(2023)
Background
Video analysis (VA) is commonly used in the assessment of sports injuries and has received considerable research interest. Until now, no tool has been available for the assessment of study quality. Therefore, the objective of this study was to develop and evaluate a valid instrument that reliably assesses the methodological quality of VA studies.
Methods
The Quality Appraisal for Sports Injury Video Analysis Studies (QA-SIVAS) scale was developed using a modified Delphi approach including expert consensus and pilot testing. Reliability was examined through intraclass correlation coefficient (ICC3,1) and free-marginal kappa statistics by three independent raters. Construct validity was investigated by comparing QA-SIVAS with expert ratings by using Kendall’s tau analysis. Rating time was studied by applying the scale to 21 studies and computing the mean time for rating per study article.
Results
The QA-SIVAS scale consists of an 18-item checklist addressing the study design, data source, conduct, report, and discussion of VA studies in sports injury research. Inter- and intra-rater reliability were excellent with ICCs > 0.97. Expert ratings revealed a high construct validity (0.71; p < 0.001). Mean rating time was 10 ± 2 min per article.
Conclusion
QA-SIVAS is a reliable and valid instrument that can be easily applied to sports injury research. Future studies in the field of VA should adhere to standardized methodological criteria and strict quality guidelines.
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.
Footwear plays a critical role in our daily lives, affecting our performance, health and overall well-being. Well-designed footwear can provide protection, comfort and improved foot functionality, while poorly designed footwear can lead to mobility problems and declines in physical activity. The overall goal of footwear research is to provide a scientific basis for professionals in the field to provide an optimal footwear solution for a given person, for a given task, in a given environment, while using sustainable manufacturing processes. This article suggests potential directions for future research with a focus on athletic footwear biomechanics. Directions include the evidence-based individualisation of footwear, the interaction between design and prolonged use, and improving the sustainability of footwear. The authors also provide a speculative outlook on methodological developments that may provide greater insight into these areas. These developments may include: (1) the use of larger scale, real-world and representative data, (2) the use of 3D printing to create experimental footwear, (3) the advancement of in silico research methods, and (4) furthering multidisciplinary collaboration. If successfully applied in the future, footwear research will contribute to active and healthy lifestyles across the lifespan.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Methode zur Messung von Bodenreaktionskräften bei menschlicher Lokomotion auf variablen Untergründen behandelt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, unter realistischen Bedingungen eine Ganganalyse in einem Biomechaniklabor durchführen zu können.
Bisher ist es nicht möglich in einem Biomechaniklabor verschiedene Untergründe nach einer bestimmten Methode auszutauschen, womit Szenarien im Alltag besser simuliert werden können.
Um dieses Ziel zu erreichen wurde ein geeignetes Konzept für die Fertigung der benötigten Bodenplatten und Bodenbeläge erstellt. Darauffolgend wurden die Komponenten angefertigt oder schon vorhandene modelliert. Die Anwendung der entwickelten Methode wurde unter realen Bedingungen einer Ganganalyse erfolgreich untersucht. Hierbei konnten exemplarisch die durchschnittlichen Bodenreaktionskräfte in z-Richtung für die Untergründe Kunstrasen, Kunststoffbahn (Tartanboden) und Steinboden untersucht werden. Das größte Optimierungspotential bei diesem Funktionstest zeigte sich bei der Anpassung der geeigneten An- und Ablaufstrecken mit den jeweiligen Untergründen.
Mit dieser entwickelten Methode können in einem Biomechaniklabor besser die Bedingungen die alltäglich benötigten Ganganpassungen an verschiedene Untergründe simuliert werden. In Kombination mit weiteren Messmethoden, wie die Messung der Muskelaktivität (EMG) und der Gangkinematik, kann so ein tieferes Verständnis des menschlichen Gangbildes gewonnen werden.
Um die Ausmaße des Klimawandels und die Emission von Treibhausgasen zu verringern, wird ein Umschwung auf erneuerbare Energien angestrebt. Dazu zählt unter anderem der Wandel von Öl und Gasheizungen, hin zu Wärmepumpen. Aufgrund seiner guten Beurteilung hinsichtlich Nachhaltigkeit und Umweltbeeinflussung, findet Propan als Betriebsstoff jüngst eine zunehmende Beachtung. Da dieses ein brennbares Kältemittel ist, müssen solche Wärmepumpen aus Sicherheitsgründen genauer untersucht werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es deshalb, den Fall von Propan-Leckagen in den Heizkreislauf einer Propan-Wärmepumpe unter verschiedenen Versuchsbedinungen zu untersuchen. Des weiteren wird untersucht, wie gut das Propan im Leckagefall von einem Gasabscheider abgeschieden werden kann, um das Risiko für den Endanwender zu minimieren.
Um die Auswirkungen einer Propanleckage in den Heizkreis untersuchen zu können, werden unterschiedliche Messungen bei veränderbaren Parametern durchgeführt. Es wird untersucht, wie sich das Propan bei unterschiedlichen Leckagemassenströme Propan, unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers und unterschiedlichen Temperaturen im Heizkreis verhält. Außerdem wird der Gasabscheider evaluiert, um zu untersuchen, unter welchen Bedienungen das meiste Propan abgeschieden werden kann.
Die Auswertung der Messungen zeigen, dass lediglich der Leckagemassenstrom an Propan einen Einfluss auf die Menge des abgeschiedenen Propans und die dafür benötigte Zeit hat. Umso größer die Propanleckage in dem Fall ist, umso mehr Propan wird dementsprechend in kürzerer Zeit abgeschieden. Durch die Variation des Volumenstrom des Wassers verändert sich der Druck im Heizkreis und steigt bei zunehmendem Volumenstrom an. Ab einem bestimmten Druck kann nun auch Propan über ein eingebautes Sicherheitsventil und nicht nur über den Gasabscheider entweichen. Die Temperatur des Heizkreises hat keinen Einfluss auf die Messungen. Des weiteren zeigen die Messungen, dass der Gasabscheider einen Großteil des Propans abscheidet. Die Messungen zeigen außerdem, dass durch eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit des Wassers mehr Propan über den Gasabscheider abgeschieden werden kann.
Sicherheitstechnisch ist bei einer Propan-Wärmepumpe zu Empfehlen, dass im Fall einer Propan-Leckage das abgeschiedene Propan nach dem Gasabscheider direkt nach draußen zu leiten. Eine weitere Möglichkeit wäre es, den Gasabscheider draußen aufzustellen und das Heizwasser erst nach dem Abscheider in das Gebäude zu leiten.
In dieser Bachelorarbeit wurde eine Studie zum Dehnungsverhalten von Schuhen mit elastischem Obermaterial beim Gehen und Laufen bei verschiedenen Geschwindigkeiten durchgeführt. Aktuell gibt es auf diesem Gebiet keine belastbaren Daten. Hierfür wurde von 33 Probandinnen und Probanden mit vier verschiedenen Schuhgrößen die Dehnung des Schuhobermaterials durch markerbasiertes Motion Capturing aufgenommen. Hierzu wurde eine Markerkette von insgesamt 6 Markern über dem Mittelfußbereich angebracht. Auf einem Laufband wurden im Gehen drei Geschwindigkeiten zwischen 1,0 m/s und 1,5 m/s und im Laufen sieben Geschwindigkeiten zwischen 1,5 m/s und 4,5 m/s aufgenommen. Die Datenauswertung erfolgte zum Großteil mittels von Matlab. Die Ergebnisse zeigen für die maximale Dehnung des Obermaterials im Gehen signifikante Unterschiede von p < 0,001. Auch das Laufen zeigt diese Signifikanz jedoch ausschließlich in den Vergleichen der niedrigen Laufgeschwindigkeiten. Die Dehnungsgeschwindigkeit zeigt im Gehen und in den meisten Bereichen des Laufens eine Signifikanz von p < 0,001. Die Ergebnisse der Dehnungsbeschleunigung weisen ebenfalls eine Signifikanz von p < 0,001 auf. Die Betrachtung der Teilbereiche der Markerkette zeigt in der Dehnung und der Dehnungsgeschwindigkeit Signifikanzen von p < 0,001. Die größte Dehnung entstand im mittleren Markerbereich, wohingegen die Randbereiche signifikant weniger gedehnt wurden. Die Dehnungsgeschwindigkeit zeigt jedoch eine signifikant höhere Geschwindigkeit in den Randbereichen im Vergleich zu dem mittleren Bereich. Im direkten Vergleich zwischen Gehen und Laufen zeigt sich keine Signifikanz. Nicht signifikant sind außerdem die verschiedenen Schuhgrößen im Vergleich zueinander. Die Ergebnisse zeigen, dass die Laufgeschwindigkeit einen Einfluss auf das Dehnungsverhalten bezüglich Dehnung, Dehnungsgeschwindigkeit und Dehnungsbeschleunigung hat.
Die vorliegende Bachelor-Arbeit entstand bei der Robert Bosch GmbH und befasst sich mit der Untersuchung elektrischer Antriebe, dessen Leistungsverhalten mithilfe des Rotormagnetfeldes bestimmt werden. Sie ist Bestandteil des Projektes „MagCam - Examination“ und beinhaltet als Hauptaufgabe die Rastmoment (engl. cogging torque) -Messung an elektrischen Antrieben mithilfe des intelligenten Messsystems „MagCam“. Anhand der Messung des Rotormagnetfeldes wurde das Rastmoment des elektrischen Motors quantifiziert und dessen Ursachen auf der Bauteilebene identifiziert.
To date, many experiments have been performed to study how the internal geometrical shapes of the annular liquid seal can reduce internal leakage and increase pump efficiency. These can be time-consuming and expensive as all rotordynamic coefficients must be determined in each case.
Nowadays, accurate simulation methods to calculate rotordynamic coefficients of annular seals are still rare. Therefore, new numerical methods must be designed and validated for annular seals.
The present study aims to contribute to this labour by providing a summary of the available test rig and seals dimensions and experimental results obtained in the following experiments:
− Kaneko, S et al., Experimental Study on Static and Dynamic Characteristics of Liquid Annular Convergent-Tapered Seals with Honeycomb Roughness Pattern (2003) [1] − J. Alex Moreland, Influence of pre-swirl and eccentricity in smooth stator/grooved rotor liquid annular seals, static and rotordynamic characteristics (2016) [2]
A 3D CAD simulation with Siemens NX Software of the test rig used in J. Alex Moreland’s experiment has been made. The following annular liquid seals have also been 3D modelled, as well as their fluid volume:
− Smooth Annular Liquid Seal (SS/GR) (J. Alex Moreland experiment)
− Grooved Annular Liquid Seal (GS/SR)
− Round-Hole Pattern Annular Liquid Seal (𝐻𝑑=2 mm) (GS/SR)
− Straight Honeycomb Annular Liquid Seal (GS/SR)
− Convergent Honeycomb Annular Liquid Seal (No. 3) (GS/SR)
− Smooth Annular Liquid Seal (SS/SR) (S. Kaneko experiment)
In the case of the seals used in S. Kaneko’s experiments, the test rig has been adapted to each seal, defining interpart expressions which can be easily modified.
Afterwards, it has been done a CFD simulation of the Smooth Annular Liquid Seal using Ansys CFX Software. To do so, the fluid volume geometry has been simplified to do a first approximation. Results have been compared for an eccentricity 𝜀0=0.00 for the following ranges of rotor speeds and differential of pressure:
− Δ𝑃= 2.07, 4.14, 6.21, and 8.27 bar,
− 𝜔= 2, 4, 6 and 8 krpm.
Even results obtained have the same trend as the one proportionated by the literature, they cannot be validated as the error is above 5%. It is also observed that as the pressure drop increases, the relative error decreases considerably.
The cellulase-producing Trichoderma reesei strain RL-P37 exhibits significant potential, yielding 7.3 g/L of cellulase in 241 hours. Microscopic investigations reveal a link between spore formation and enzyme production, suggesting the need for research into the intricate relationship between enzyme production, stress responses, and the nutritional prerequisites of fungi. Comparatively, the use of sodium hydroxide (NaOH) treatment, as opposed to water treatment, results in the reduction of micronutrient content and carbon source extraction as filtrate. Despite these challenges, research by He et al. (2021) highlights NaOH's efficiency in cellulose extraction from plant-based sources. Using NaOH pretreatment can be proven as effective by designing a proper cultivation method. The selection of inducers for enzyme induction gains importance, with soluble inducers, as emphasized by Zhang et al. (2022), exhibiting superior effectiveness. Hence, adopting soluble inducers in designing cultivation methods for improved enzyme production in shaking flasks is recommended. Enzymatic treatment of bio-waste, as outlined by Hu et al. (2021), shows promise in augmenting essential component content by breaking down plant cell walls and intercellular compartments. However, the feasibility of using an artificial bio-waste medium for cultivating Trichoderma reesei is questioned. Investigating the impact of micronutrient levels, particularly the inhibitory role of zinc, on fungal growth becomes essential. These findings underscore the necessity for ongoing research and optimization in cellulase production, emphasizing both strain productivity and cultivation methodologies.
Self-sufficient enzymes belong to the cytochrome P450 (CYP) group and are known for their superior hydroxylation catalytic activity. In the pursuit of identifying new pesticides to combat antimicrobial-resistant pathogens, we employed BM3 wild type (BM3-WT), the fastest monohydroxylating CYP, along with its seven homologs, to investigate the production of potential hydroxylated derivatives from the established pesticide, 4-oxocrotonic acid using high-pressure liquid chromatography (HPLC) method. Following the recombinant production of BM3-WT and three other homologs in E. coli, and their subsequent purification using Immobilized Metal Affinity Chromatography (IMAC), a novel enzyme assay approach was developed as a substitute for the carbon monoxide (CO) assay. This new method relied on the measurement of NADPH consumption at 340 nm by BM3-WT for palmitic acid. Leveraging this established technique, we explored the substrate specificity of BM3-WT and its homologs not only on palmitic acid but also on other structurally similar compounds, including 4-oxocrotonic acid. The results obtained from the established NADPH assay indicate that all tested enzymes displayed greater catalytic activity on 4-oxocrotonic acid in comparison to other substrates with similar structures. However, the impact of BM3-WT and its homologs on 4-oxocrotonic acid varied in terms of product specificity. Enzymes such as Poh, Trr and Bas-CYP D exhibited specificity in producing solely monohydroxylated products, while others tended to yield dehydroxylated and ketol metabolites.
Chitin ist nach Cellulose, das am zweit häufigsten vorkommende Biopolymer auf der Erde und erlangt durch die positiven Eigenschaften seiner Oligomere immer mehr an Aufmerksamkeit in der Industrie. Derzeit werden Chitin-Oligomere rein chemisch mittels starker Säurebehandlung gewonnen. Alternativ können Endo- und Exochitinasen für eine umweltfreundlichere Hydrolyse eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurden drei fungale Endochitinasen aus den Ursprungsorganismen Trichoderma harzianum (Chit33-TH), Trichoderma asperellum (Chit36-TA) und Myceliophthora thermophila (Chit46-MT) in Pichia pastoris rekombinant exprimiert, mittels Ni-NTA-Affinitätschromatographie und Dialyse aufgereinigt und biochemisch charakterisiert. Dabei zeigten die Chitinasen maximale spezifische Umsatzgeschwindigkeiten von 16 (Chit33-TH), 50 (Chit36-TA) und 98 nkat/mg (Chit46-MT). Die Endochitinasen hatten nach der Deglykosylierung ein molekulares Gewicht von 33 (Chit33-TH), 36 (Chit36-TA) und 46 kDa (Chit46-MT). Die pH-Optima und Temperaturmaxima lagen für alle drei Enzyme bei einem pH-Wert von 4,5 und 50 °C, zudem waren sie bei 45 bis 50 °C für 15 Minuten temperaturstabil. Detergenzien und Kationen wie Cu2+, Mn2+, Co2+ und Zn2+ hatten einen inhibierenden Effekt ab 1 mM. Höhere Ca2+-Konzentrationen ab 10 mM reduzierten die Enzymaktivität um bis zu 30 %. Eine Produktinhibition mit N-Acetylglucosamin konnte nicht festgestellt werden. Bei allen rekombinanten Enzymen konnte mittels DNS-Assay die Freisetzung von reduzierenden Zuckerenden und somit geeignete Eigenschaften kolloidales Chitin zu wasserlösliche ChitinOligomere umzuwandeln, nachgewiesen werden. Insbesondere Chit46-MT erreichte nach 24 h einen Hydrolysegrad bis zu 96 % und bewies, dass eine enzymatische Hydrolyse für die industrielle Chitin-Oligomerproduktion nutzbar ist.
Der Eignungsnachweis von Prüfprozessen ist sowohl für die Industrie, als auch für Forschungszwecke ausschlaggebend. Dabei sind die Genauigkeit, Präzision sowie die Messbeständigkeit der Messergebnisse von der zu untersuchenden Messeinrichtung mit statistischen Methoden auszuwerten. Mit Leitfäden wird unter einer sog. Messsystemanalyse die Fähigkeit einer Messeinrichtung mit den dazugehörigen statistischen Kennwerten beurteilt. Die Messsystemanalyse unterteilt sich in zwei Typen, wobei die Konsistenz bzw. Messdatenstreuung mit den entsprechenden Kennwerten beurteilt werden können. Unter MSA Typ 1 wird anhand Mittelwerte und Standardabweichungen von Wiederholmessungen die Konsistenz und Genauigkeit mit den Cg- bzw. Cgk-Indizes bewertet, die höher als 1,33 sein müssen, um die Messeinrichtung als fähig zu klassifizieren. Durch MSA Typ 2 wird die Präzision mit dem % R&R-Kennwert (Wiederholbarkeit & Reproduzierbarkeit) bewertet. Messeinrichtungen mit einem % R&R-Kennwert unterhalb 20 % liefern Messdaten mit einer ausreichenden Präzision, d.h. dass die Mittelwerte der Messdaten nicht signifikant voneinander unterscheiden. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchte akustische Messeinrichtung weist einen Cg-Index von 1, 58, einen Cgk-Index von 2, 13 und einen % R&R-Wert von 6, 56 % auf, weshalb die Messdaten mit einer hohen Konsistenz und Präzision erfasst werden.
Evaluierung der effektiven Pedalkräfte bei der von dem Smartfit System empfohlenen Sattelhöhe
(2023)
Das Smartfit System unterstützt Bikefitter der Radlabor GmbH bei den grundlegenden Einstellungen am Fahrrad. Unter anderem gibt es eine Empfehlung für die Sattelhöhe an. In dieser Arbeit wird untersucht, ob eine Abweichung von dieser Empfehlung um ± 5° des Kniewinkels in der 90° Kurbelstellung Auswirkungen auf die effektive Pedalkraft hat. Untersucht werden zehn Probanden. Drei 2-minütige Radfahrtests werden bei 90 % der maximalen Leistung gefahren, bei denen alle drei Sattelhöhen getestet werden. Die maximale Leistung wird zuvor in einem Laktat-Stufentest auf dem Ergometer ermittelt. Die effektive Pedalkraft der linken und rechten Seite wird addiert und über den Kurbelverlauf gemittelt. Die gemittelten effektiven Kräfte der drei Sattelhöhen werden anschließend miteinander verglichen. Es gibt keine signifikanten Unterschiede der effektiven Pedalkraft zwischen allen drei Sattelhöhen (p = 0,319). Die effektive Pedalkraft der tiefen Sattelhöhe (- 5° Kniewinkel) ist im Schnitt 1,6 % kleiner als die der Smartfithöhe und die effektive Kraft der hohen Sattelhöhe (+ 5° Kniewinkel) ist im Schnitt 0,16 % größer. Die Empfehlung des Smartfit Systems bietet dem Bikefitter somit Spielraum, um auf individuelle Bedürfnisse des Kunden eingehen zu können.
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.
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.
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.
Hintergrund der Studie ist die Annahme, dass das Tragen von Barfußschuhen einen positiven Effekt auf die Gleichgewichtsfähigkeit eines Menschen hat und somit präventiv das Sturzrisiko vermindern kann. Ziel der Studie ist daher, einen Zusammenhang zwischen der Zehenfreiheit und der Gangsicherheit festzustellen. Zu diesem Zweck werden anhand einer Ganganalyse mit dem GRAIL-System, der Firma Motek Medical, das Laufverhalten von 23 Probanden in drei verschiedenen Schuhkonditionen (schmale Barfußschuhe, breite Barfußschuhe und getapte Zehen in Barfußschuhen) untersucht. Pro Perturbationsdurchgang werden jeweils fünf Gangzyklen vor und nach der Perturbation aufgenommen. Betrachtet werden die Kokontraktionswerte ausgewählter antagonistischer Muskelpaare des Ober- und Unterschenkels. Diese werden während der fünf Gangzyklen vor den einzelnen Perturbationen mittels EMG (Elektromyographie )-Sensoren gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass das einmalige Tragen von Barfußschuhen und somit die kurzfristige Veränderung der Zehenfreiheit keinen signifikanten Einfluss auf die Kokontraktionswerte und somit auf die Gleichgewichtsfähigkeit hat. Lediglich beim langfristigen Tragen von Barfußschuhen wiesen die Ergebnisse leichte Tendenzen in Richtung einer Erhöhung der Gleichgewichtsfähigkeit auf. Daraus lässt sich ein Trainingseffekt der Barfußschuhe auf den menschlichen Körper ableiten, der langfristig zu einer Verbesserung der Gangsicherheit führt. Da diese Ergebnisse jedoch nicht signifikant sind, muss diese Annahme erst durch weitere Studien geprüft werden. Einen tatsächlich signifikanten Einfluss hatte hingegen der Lerneffekt, der sich während des Versuchsablaufs bei den Testpersonen einstellte, auf die Kokontraktionswerte. Hierbei zeichnet sich eine annähernd exponentiell fallende Kurve im Verlauf der Messungen ab. Interessant ist dabei, dass dies auch für die Baseline zutraf, also auf die Referenzmessung ohne Perturbationen. Dies deutet darauf hin, dass die Probanden nicht primär wegen der Perturbationen in einer angespannten bzw. vorbereiteten Haltung waren, sondern aufgrund des ihnen unbekannten Untergrunds, dem perturbationsfähigen Laufband. Bei zukünftigen Studien sollte daher für aussagekräftige Ergebnisse eine stärkere Eliminierung des Lerneffekts geachtet werden.
5000er-Aluminiumlegierungen neigen bei der Umformung zur Bildung von Fließfiguren durch den PLC-Effekt. Dadurch sind die Anwendungsmöglichkeiten stark eingeschränkt, weil hohe Ansprüche an die Oberflächenqualität nicht erfüllt werden können. Der PLC-Effekt kann jedoch unter bestimmten Bedingungen unterdrückt werden, so dass das Umformpotential stark vergrößert werden kann. In dieser Arbeit wurden die Einflüsse der Dehnrate und des Dehnungszustandes auf das Auftreten des PLC-Effektes an der Legierung EN AW-5182 experimentell untersucht. Dazu wurden Versuche mit verschiedenen Dehnraten und an unterschiedlichen Probengeometrien durchgeführt. Bei den Flachzugversuchen nahm die kritische Dehnung, die Dehnung ab welcher der PLC-Effekt auftritt, im untersuchten Dehnratenbereich mit zunehmender Dehnrate zu. Ab einer nominellen Dehnrate von 5,2/s, bzw. einer von-Mises-Dehnrate von 3,4/s wurde kein PLC-Effekt mehr beobachtet. Die auftretenden PLC-Band-Typen, deren Form und Bewegung entsprach den Beobachtungen von älteren Untersuchungen ([AHZ02]) an der gleichen Aluminiumlegierung. Nur wurde damals bereits ab einer Dehnrate von 0,1/s kein PLC-Effekt mehr nachgewiesen. Als Hauptursache für diesen Unterschied wird eine andere Messtechnik oder Auswertemethode der älteren Untersuchungen vermutet. An den geprüften Proben mit PLC-Effekt waren mit bloßem Auge keine Fließfiguren zu erkennen. Zu Versuchen am ebenen Dehnungszustand mit Kerbzubproben sind keine Literaturwerte bekannt. Die Versuche zeigen, dass der PLC-Effekt dort auch auftritt und die kritische Dehnung mit zunehmender Dehnrate linear ansteigt. Ab einer von Mises-Dehnrate von 1,7/s wurde kein PLC-Effekt mehr beobachtet. Die auftretenden PLC-Bänder waren feldlinienförmig. Auch an den Scherzugproben trat der PLC-Effekt auf. Die kritische Dehnung nahm überwiegend linear mit zunehmender Dehnrate zu. Doch aufgrund nur kleiner Stufen im Dehnungs-Zeitverlauf war eine präzise Auswertung der kritischen Dehnung nicht möglich. Die PLC-Bänder waren parallel zur Hauptschubrichtung orientiert und bewegten sich nur geringfügig. Die an den Nakajima-Proben beobachteten PLC-Bänder zeigten ein deutlich anderes Verhalten als die der Zugversuche. Es traten immer mehrere PLC-Bänder gleichzeitig auf und ihrer Bewegungen waren geringer als an den Zugversuchen ähnlicher Dehnrate. Dadurch waren an den Nakajima-Proben mit PLC-Effekt mit bloßem Auge merkliche Fließfiguren zu sehen. Als Ursache für das andere Verhalten der PLC-Bänder wird der Reibkontakt zum Ziehstempel vermutet. Der PLC-Effekt nahm mit zunehmender Spannungsmehrachsigkeit stetig ab und war bei Erreichen des äquibiaxialen Spannungszustandes nicht mehr zu beobachten. In der Gesamtauswertung wurde gezeigt, dass das Umformpotential durch den PLC-Effekt stark eingeschränkt wird. Mit zunehmender Dehnrate kann das Umformpotential jedoch vergrößert werden und ab einer von-Mises-Dehnrate von etwa 3/s kann der komplette Umformbereich von EN AW 5182 ausgeschöpft werden. Die Versuchsergebnisse müssen nun noch validiert werden. Durch die anderen Bedingungen in industriellen Umformprozessen, können sich Abweichungen zu den Laborversuchen ergeben. Vor allem die Unterschiede zwischen den Zugversuchen und den Nakajima-Versuchen lassen solche Abweichungen als nicht unwahrscheinlich erscheinen.
The purpose of this master's thesis was to set up a test bed for the absorption of chemical compounds by carbon-based sorbents and polymers and to develop a method for the detection of these substances applied by liquid chromatography.
The study made it possible to demonstrate the effectiveness of both polymers and biochars sorbents for the adosorption of specific substances. The results obtained open new paths on the study of biochar for the treatment of contaminated water. Some biochars made from plant-based materials have been shown to be almost as effective as commercial products used in plants. The developed chromatography method allows efficient separation of substances and their detection.
Aluminiumgussbauteile spielen heutzutage in vielen Branchen, wie der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie eine wichtige Rolle. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht aus. Bei der Herstellung von Aluminiumgussbauteilen, kommt es prozessbedingt immer zu Defekten im Werkstoff. Mit Computer Tomographie Aufnahmen können diese Defekte zerstörungsfrei detektiert werden. Anschließend sollen die Defekte in Finite-Elemente-Methode Berechnungen berücksichtigt werden. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil bei der Schadensvorhersage dieser Bauteile.
In dieser Masterarbeit wurde zwei Programme entwickelt, welche das Mapping von Defekten aus CT-Aufnahmen eines Aluminiumgussbauteils auf ein LS-Dyna Netz ermöglichen. Dadurch können die Defekte und damit die Porosität eines Gussbauteils in der Festigkeitsberechnung berücksichtigt und die Schadensvorhersage verbessert werden. Die Programmierung erfolgte in Python.
Das weiterentwickelte Mapping-Programm benötigt zwei Input Dateien. Zum einen wird die Defektdatei aus den CT-Aufnahmen benötigt und zum anderen ein LS-Dyna Netz. Die komplexen Defektgeometrien werden in dem Mapping-Programm vereinfacht als umschließende Kugeln um den Defekt beschrieben. Diese Vereinfachung ist aufgrund der benötigten Rechenleistung notwendig. Anschließend prüft das Mapping-Programm alle Kollisionen zwischen Elementen des FE-Netzes und den Defekten und ermittelt für jedes Element ein Schnittvolumen. Aus dem Schnittvolumen und dem Elementvolumen wird die Porosität berechnet. Die Rechenzeit für ein Bauteil mit 107379 Elementen beträgt 480 Minuten.
Ein zweites, neu entwickeltes Programm ermöglicht das Mapping der wahren Porengeometrie auf FE-Netze. Durch die optimierte Porenbeschreibung wird eine höhere Genauigkeit beim Mapping der Defekte erreicht. Die Rechenzeit beträgt bei einem Bauteil mit 107379 Elementen lediglich 15 Minuten.
Ziel dieser Masterarbeit ist es, das Mapping-Programm zu optimieren, damit es neben Hexaedern weitere Elementtypen verarbeiten kann. Darüber hinaus sollte die Porenbeschreibung verbessert werden, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Dafür wurde ein zweites Programm mit einer verbesserter Porenbeschreibung entwickelt, dass zudem deutlich geringere Rechenzeiten benötigt.
Cast aluminum cylinder blocks are frequently used in gasoline and diesel internal combustion engines because of their light-weight advantage. However, the disadvantage of aluminum alloys is their relatively low strength and fatigue resistance which make aluminum blocks prone to fatigue cracking. Engine blocks must withstand a combination of low-cycle fatigue (LCF) thermal loads and high-cycle fatigue (HCF) combustion and dynamic loads. Reliable computational methods are needed that allow for accurate fatigue assessment of cylinder blocks under this combined loading. In several publications, the mechanism-based thermomechanical fatigue (TMF) damage model DTMF describing the growth of short fatigue cracks has been extended to include the effect of both LCF thermal loads and superimposed HCF loadings. This approach is applied to the finite life fatigue assessment of an aluminum cylinder block. The required material properties related to LCF are determined from uniaxial LCF tests. The additional material properties required for the assessment of superimposed HCF are obtained from the literature for similar materials. The predictions of the model agree well with engine dyno test results. Finally, some improvements to the current process are discussed.
Immunosorbent turnip vein clearing virus (TVCV) particles displaying the IgG-binding domains D and E of Staphylococcus aureus protein A (PA) on every coat protein (CP) subunit (TVCVPA) were purified from plants via optimized and new protocols. The latter used polyethylene glycol (PEG) raw precipitates, from which virions were selectively re-solubilized in reverse PEG concentration gradients. This procedure improved the integrity of both TVCVPA and the wild-type subgroup 3 tobamovirus. TVCVPA could be loaded with more than 500 IgGs per virion, which mediated the immunocapture of fluorescent dyes, GFP, and active enzymes. Bi-enzyme ensembles of cooperating glucose oxidase and horseradish peroxidase were tethered together on the TVCVPA carriers via a single antibody type, with one enzyme conjugated chemically to its Fc region, and the other one bound as a target, yielding synthetic multi-enzyme complexes. In microtiter plates, the TVCVPA-displayed sugar-sensing system possessed a considerably increased reusability upon repeated testing, compared to the IgG-bound enzyme pair in the absence of the virus. A high coverage of the viral adapters was also achieved on Ta2O5 sensor chip surfaces coated with a polyelectrolyte interlayer, as a prerequisite for durable TVCVPA-assisted electrochemical biosensing via modularly IgG-assembled sensor enzymes.
Maintaining stability while walking on arbitrary surfaces or dealing with external perturbations is of great interest in humanoid robotics research. Increasing the system’s autonomous robustness to a variety of postural threats during locomotion is the key despite the need to evaluate noisy sensor signals. The equations of motion are the foundation of all published approaches. In contrast, we propose a more adequate evaluation of the equations of motion with respect to an arbitrary moving reference point in a non-inertial reference frame. Conceptual advantages are, e.g., getting independent of global position and velocity vectors estimated by sensor fusions or calculating the imaginary zero-moment point walking on different inclined ground surfaces. Further, we improve the calculation results by reducing noise-amplifying methods in our algorithm and using specific characteristics of physical robots. We use simulation results to compare our algorithm with established approaches and test it with experimental robot data.
In 4D printing, an additively manufactured component is given the ability to change its shape or function in an intended and useful manner over time. The technology of 4D printing is still in an early stage of development. Nevertheless, interesting research and initial applications exist in the literature. In this work, a novel methodical approach is presented that helps transfer existing 4D printing research results and knowledge into solving application tasks systematically. Moreover, two different smart materials are analyzed, used, and combined following the presented methodical approach to solving the given task in the form of recovering an object from a poorly accessible space. This is implemented by self-positioning, grabbing, and extracting the target object. The first smart material used to realize these tasks is a shape-memory polymer, while the second is a polymer-based magnetic composite. In addition to the presentation and detailed implementation of the methodical approach, the potentials and behavior of the two smart materials are further examined and narrowed down as a result of the investigation. The results show that the developed methodical approach contributes to moving 4D printing closer toward a viable alternative to existing technologies due to its problem-oriented nature.
Over the last few decades, several grid coupling techniques for hierarchically refined Cartesian grids have been developed to provide the possibility of varying mesh resolution in lattice Boltzmann methods. The proposed schemes can be roughly categorized based on the individual grid transition interface layout they are adapted to, namely cell-vertex or cell-centered approaches, as well as a combination of both. It stands to reason that the specific properties of each of these grid-coupling algorithms influence the stability and accuracy of the numerical scheme. Consequently, this naturally leads to a curiosity regarding the extent to which this is the case. The present study compares three established grid-coupling techniques regarding their stability ranges by conducting a series of numerical experiments for a square duct flow, including various collision models. Furthermore the hybrid-recursive regularized collision model, originally introduced for cell-vertex algorithms with co-located coarse and fine grid nodes, has been adapted to cell-centered and combined methods.
Vergleich eines iOS-basierten zu einem markerbasierten System zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse
(2023)
Die iOS-basierte Methode zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse wird mithilfe von OpenCap durchgeführt. OpenCap ist eine Open-Source-Software, die laut Hersteller eine gute Alternative zu herkömmlichen Methoden der Bewegungsanalyse sein soll. Durch eine verständliche Menüführung, geringe Anschaffungskosten und ohne Notwendigkeit von Fachpersonal, soll hiermit eine großflächigere Anwendung von dreidimensionalen Bewegungsanalyse gegeben werden. (Uhlrich et al., 2022) Um diese Hypothese zu belegen wurde im Rahmen dieser Bachelorthesis eine kleine Studie mit 12 Probanden durchgeführt. Diese waren hauptsächlich Freiwillige der Hochschule Offenburg und sowohl männlich (7/12 Probanden) als auch weiblich (5/12 Probanden). Das Alter lag bei 25,76 ±5,08 Jahre, die Größe betrug 1,73 ±0,08 Meter und das Gewicht 69,38 ±7,12 Kilogramm. Die Probanden wurden zum Vergleich mit zwei verschiedenen Methoden zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse (OpenCap und markerbasierter) und bei zwei verschiedenen Sprungformen, aufgenommen.
Anschließend wurden die Ergebnisse der Gelenkwinkel für Hüfte und Knie der rechten Körperhälfte der Probanden betrachtet. Dabei fiel auf, dass die gemessenen Werte von OpenCap, für Hüfte und Knie verschieden stark von den markerbasierten Werten abwichen. Die Differenz der Hüftflexionswinkel, zwischen den beiden Messmethoden, war um einiges größer als die ermittelte Differenz der Knieflexionswinkel. Diese lag beim Counter Movement Jump (CMJ) für die Hüfte bei 8,01° ±10,89° und für das Knie bei -0,9° ±3,22°. Beim Drop Jump (DJ) ergaben die Differenzen für die Hüfte 15,91° ±12,35° und für das Knie 3,03° ±2,59°. Außerdem wichen die Ergebnisse auch von der Studie der OpenCap Erfinder ab, die mit einem mittleren absoluten Fehler von 4,5°, die App anpriesen. (Uhlrich et al., 2022)
Der Vergleich zeigte somit das OpenCap eine gute Alternative zur Messung offensichtlicher Körpersegmente oder Bewegungen, wie beispielsweise dem Knie, sein kann. Für Messungen der Hüftpartie eignet es sich derzeitig, aufgrund seiner Ungenauigkeit, weniger.
Die akustischen Emissionen von Wasserinstallationsgeräten, insbesondere während der nächtlichen Ruhezeit in angrenzenden Räumen, können erhebliche Störungen verursachen. Die primäre Ursache dieser Belästigungen liegt in der spezifischen Funktionsweise von Wasserarmaturen, welche somit als Hauptquelle der Lärmemissionen identifiziert werden können. Hydrodynamische und -akustische Simulationen erweisen sich in diesem Zusammenhang als wertvolle Werkzeuge zur Identifikation von kritischen Bereichen, welche für die Schallabstrahlung verantwortlich sind.
In dieser vorliegenden Arbeit werden die hydrodynamischen und -akustischen Eigenschaften eines Installationsgeräuschnormals mithilfe numerischer Methoden untersucht, wobei gleichzeitig ein kommerzielles Berechnungswerkzeug zur Vorhersage von akustischen Schallfeldern in Bezug auf ein hybrides Verfahren evaluiert und validiert wird. Das Installationsgeräuschnormal dient dabei als Testfall, um die Leistungsfähigkeit des hybriden Akustikmodells in Verbindung mit einem RANS- sowie RANS/LES-Ansatz zu überprüfen. Es werden verschiedene Varianten des Installationsgeräuschnormals untersucht und mit experimentellen Messdaten validiert.
Die hydrodynamischen Simulationsergebnisse der verschiedenen Varianten zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentellen Daten bei der Verwendung eines RANS/LES-Ansatzes. Der Einsatz eines solchen Hybrid-Modells zur Turbulenzmodellierung hat gezeigt, dass eine verbesserte Wiedergabe von zeitabhängigen Phänomenen in der Strömung erreicht werden kann, welche in direktem Zusammenhang mit der Vorhersage der Schallausbreitung stehen und somit eine bedeutende Auswirkung darauf haben.
Die akustische Untersuchung der verschiedenen Varianten des Installationsgeräuschnormals zeigt, dass die Schallabstrahlung ausschließlich in breitbandigen Frequenzspektren erfolgt. Im Rahmen des Vergleichs mit den Messdaten lässt sich erkennen, dass eine akustische Analyse auf Basis eines hybriden Modells in Verbindung mit dem Akustikmodell vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Vorhersage des Schallfelds liefern kann und dabei im Vergleich zu einfachen RANS-Modellen Vorteile aufweist.
4D printing (4DP) is an evolutionary step of 3D printing, which includes the fourth dimension, in this case the time. In different time steps the printed structure shows different shapes, influenced by external stimuli like light, temperature, pH value, electric or magnetic field. The advantage of 4DP is the solution of technical problems without the need for complex internal energy supply via cables or pipes. Previous approaches to 4D printing with magnetoresponsive materials only use materials with limited usability (e.g. hydrogels) and complex programming during the manufacturing process (e.g. using magnets on the nozzle). The 4D printing using unmagnetized particles and the later magnetization allows the use of a standard 3D printer and has the advantage of being easily reproducible and relatively inexpensive for further application. Therefore, a magnetoresponsive feedstock filament is produced which shows elastic and magnetic properties. In a first step, pellets are produced by compounding polymer with magnetic particles. In a second step, those pellets are extruded in form of filament. This filament is printed using a conventional printing system for Material Extrusion (MEX-TRB/P). Various prototypes have been printed, deformed and magnetized, which is called programming. In comparison to shape memory polymers (SMP) the repeatability of the movement is better. The results show the possibilities of application and function of magnetoresponsive materials. In addition, an understanding of the behaviour of this novel material is achieved.
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.
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).
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.