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Dieser technische Bericht stellt die Verwendung der Zuwendung und der erzielten Ergebnisse im Einzelnen dar. Die Gegenüberstellung mit den vorgegebenen Zielen erfolgt anhand der Beschreibung des Arbeitspakete. Die Verwendung der Zuwendung und Gegenüberstellung mit den vorgegebenen Zielen wird anhand der Arbeitspakete beschrieben, um den Abgleich zwischen Planung und durchgeführten Arbeiten unmittelbar darstellen zu können.
Ziel des LiBaLu-Teilprojekts Modellierung und Simulation war die Unterstützung der Elektroden- und Zellentwicklung mit Hilfe umfangreicher Computersimulationen im Sinne des computergestützten Engineering (CAE). Zwei verschiedene Schwerpunkte standen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Zum einen wurde das mechanistische Verständnis der komplexen Elektrochemie in Lithium-Luftbatterien durch mikrokinetische Modelle aufgeklärt. Auf Basis von postulierten Mehrschrittmechanismen wurden makroskopische Eigenschaften (Entlade-/Ladekennlinien, Zyklovoltammogramme) vorhergesagt und mit experimentellen Daten der Projektpartner verglichen. Zum anderen wurde das Design der Prototypzelle mit Hilfe numerischer Simulationen untersucht und optimiert. So konnten z. B. optimale Schichtdicken oder die Rolle von Gastransportlimitierungen identifiziert werden.
Ziel des Projekts STABIL war die Vorhersage der Alterung und Verbesserung der Lebensdauer von mobilen und stationären Lithium-Ionen-Batterien. Batterien sind zentrale Komponenten der Elektromobilität und der stationären Speicherung von regenerativem Strom. Die im Stand der Technik unzureichende Lebensdauer der Batterie ist heute wesentlicher Kostentreiber. Im Projekt wurde daher in einem skalenübergreifenden und interdisziplinären Ansatz das Verhalten von einzelnen Batteriezellen und ganzen Batteriesystemen unter zwei unterschiedlichen systemischen Randbedingungen untersucht.
Lithium-ion batteries play a vital role in a society more and more affected by the spectre of climate change: hence the need of lowering CO2 emissions and reducing the fossil fuel consumption. At the moment, lithium-ion batteries appear as the ideal candidates for this challenge but further research and development is required to understand their behaviour, predict their issues and therefore improve their performance. In this regard, mathematical modelling and numerical simulation have become standard techniques in lithium-ion battery research and development and have proven to be highly useful in supporting experimental work and increasing the predictability of model-based life expectancy.
This study focuses on the electrochemical ageing reactions at the anode, especially on the topic of lithium plating and its interaction with the solid electrolyte interface (SEI). The purpose of this work is a deeper understanding of these degradation processes through the construction of refined modelling frameworks and the analysis of simulations carried out over a wide range of operating conditions. The governing equations are implemented in the in-house multiphysics software package DENIS, while the electrochemistry model is based on the use of the open-source chemical kinetics code CANTERA.
The development, parameterisation and experimental validation of a comprehensive pseudo-three-dimensional multiphysics model of a commercial lithium-ion cell with blend cathode and graphite anode is presented. This model is able to describe and simulate both multiscale heat and mass transport and complex electrochemical reaction mechanisms, including also as extra feature the capability of reproducing a composite electrode where multiple active materials are subject to intercalation/deintercalation reaction.
A further extension to include reversible lithium plating process and predict ageing behaviour over a wide range of conditions, with a focus on the high currents and low temperatures particularly interesting for the fast charging topic, follows. This extended model is verified by comparison with published experimental data showing voltage plateau and voltage drop as plating indicators and optionally includes an explicit re-intercalation reaction that is shown to suppress macroscopic plating hints in the specific case of a cell not showing evident plating signs. This model is used to create degradation maps over a wide range of conditions and an in-depth spatiotemporal analysis of the anode behaviour at the mesoscopic and microscopic scales, demonstrating the dynamic and nonlinear interaction between the intercalation and plating reactions.
A deeper outlook on the SEI formation and growth is presented, together with the qualitative description of three different 1D-models with a decreasing level of detail, developed with the purpose of ideally being included in future in more comprehensive multiscale frameworks.
Finally, the extended model is successfully coupled with a previously developed SEI model to result in an original modelling framework able to simulate both degradation processes and their continuous positive feedback.
The twin concept is increasingly used for optimization tasks in the context of Industry 4.0 and digitization. The twin concept can also help small and medium-sized enterprises (SME) to exploit their energy flexibility potential and to achieve added value by appropriate energy marketing. At the same time, this use of flexibility helps to realize a climate-neutral energy supply with high shares of renewable energies. The digital twin reflects real production, power flows and market influences as a computer model, which makes it possible to simulate and optimize on-site interventions and interactions with the energy market without disturbing the real production processes. This paper describes the development of a generic model library that maps flexibility-relevant components and processes of SME, thus simplifying the creation of a digital twin. The paper also includes the development of an experimental twin consisting of SME hardware components and a PLC-based SCADA system. The experimental twin provides a laboratory environment in which the digital twin can be tested, further developed and demonstrated on a laboratory scale. Concrete implementations of such a digital twin and experimental twin are described as examples.
Im Rahmen des Programms Solarthermie2000plus wurde eine begrenzte Anzahl solarthermischer Pilot sowie Forschungs- und Demonstrationsanlagen zur Teildeckung des Wärmebedarfs unterschiedlicher Verbraucher im Niedertemperaturbereich modellhaft gefördert. Mit Solarthermie2000plus führte das BMU im Rahmen des Energieforschungsprogramms der Bundesregierung die langfristig angelegten Forschungsaktivitäten zur thermischen Nutzung der Sonnenenergie des Förderkonzepts Solarthermie-2000 mit neuen Schwerpunkten fort.
Durch die Umstrukturierung in der Automobilindustrie hinsichtlich Elektromobilität steigen die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen an die Zulieferunternehmen von Automobilherstellern. Um im Wettbewerb konkurrenzfähig zu sein, müssen die jeweiligen Prozesse stetig geprüft und optimiert werden. Anhand dieser Masterarbeit wird daher die Produktion von Komfortaktuatoren bezüglich Wirtschaftlichkeit sowie Kapazitätserweiterung analysiert und demnach ein Konzept zur Fertigungsoptimierung entwickelt.
Für diese Konzeptentwicklung wird zunächst die bestehende Produktion der Komfortaktuatoren anhand der Prozesskette bezüglich des Automatisierungsgrades erforscht. Eine Taktzeitanalyse der Endmontage weist den Engpass am manuellen Handarbeitsplatz auf, an dem die Bestückung des Transferträgers stattfindet. Die Betrachtung des Produktionsvolumens zeigt die Verdopplung der Stückzahlen ab 2024 bei den Aktuatoren mit Getriebelage rechts. Um diese Produktionsstückzahlen zu fertigen und den Engpass auszugleichen, ist eine Automatisierung der bestehenden Endmontage erforderlich. Die wirtschaftliche Investition in die Automatisierung bedeutet eine erhöhte Amortisationszeit, die sich je nach Stückzahlen zwischen acht und 15 Jahre befindet.
Eine geringere Kapitalrückflussdauer kann mit der Erweiterung der Fertigungslinie mit einem höheren Automatisierungsgrad sowie einer geringeren Taktzeit erreicht werden. Der benötigte Platzbedarf für diese Erweiterung der Fertigungslinie wird auf ungefähr 5,7 m abgeschätzt. Mit einer kompakten Anordnung der Fertigungsstationen kann dieser Einbau erfolgen. Für die Entwicklung des Transfersystems wird eine Anforderungsliste erstellt und anhand dieser ein Transfer-Konzept innerhalb der Fertigungslinie entwickelt. Aufgrund der Kostenschätzung und des Platzbedarfs erzielt das Konzept mit einem Transferträger die höhere Wertigkeit. Mit dem in dieser Masterarbeit erarbeiteten planerischen Konzept zur Fertigungsoptimierung wird eine Einsparung der Vorgabezeit von 11,3 min im Vergleich zum aktuellen Stand erzielt. Die Kosten der Neubau-Stationen und die anfallenden Umbaumaßnahmen werden auf etwa 950.000 € geschätzt. Der zeitliche Beginn dieser Erweiterungsmaßnahmen ist auf Anfang 2023 terminiert.
The Project "Schluckspecht" of the University of Offenburg consists of participating in the
European marathon called "Shell Eco-Marathon"(SEM) which consists of designing and
building from the beginning a vehicle with the greatest possible energy efficiency. The
University of Offenburg has participated in this project since 1998.
The team that forms the Schluckspecht project is made up of around 30 students from the
faculties of mechanical engineering, process engineering, electrical engineering, medical
technology and computer science, as well as the degree in Audiovisual Communication. The
team was founded in 1998 and since then students have been developing and building high
efficiency vehicles to participate in the European marathon Shell Eco.
In this project, students can put into practice all the theoretical knowledge obtained during
their studies. Also can be learned how to work interdisciplinarity as a team, a skill that for
now, many companies or require or seek.
The following topics are discussed in the Schluckspecht project, which are also ideal for the
work of students:
-Conception construction and production of high efficiency vehicles.
-Computational design and manufacture of lightweight components and sets.
-Development of lightweight components and sets from renewable raw materials.
-Construction and development of special test benches, for example: motor test bench.
-Implementation and optimization of control strategies for autonomous driving
-Mechanical and electrical integration of sensors for autonomous driving
-Ergonomic studies and optimization of the driver's cabin.
The objective of the project is to develop and manufacture research vehicles that make
individual mobility as efficient as possible from an energy point of view. To achieve this,
current and future issues of the industry are discussed. In this project, both the theoretical
and practical part of the light construction of vehicles and the reduction of friction, the
variety of propulsion concepts (electric thrusters, fuel cells, diesel/petrol engines, Stirling
engines) and autonomous driving are investigated. The services of the University of
Offenburg together with some external partners are grouped together to make this
wonderful project work.
Das Black Forest Formula Team hat es sich nach der Neugründung im Jahre 2019 zum Ziel gemacht, mit einem eigens konstruierten Elektro-Rennwagen beim Formula Student Germany (folgend FSG genannt) Wettbewerb teilzunehmen.
Zu Beginn der Bachelorarbeit wurde bereits ein Fahrzeugrahmen konstruiert und in der Schweißwerkstatt der Hochschule Offenburg fertig geschweißt. Da bei der Konstruktion der Hauptfokus auf das Fertigstellen eines Rahmens gesetzt wurde, verfolgt diese Bachelorarbeit das Ziel, den Rahmen mittels der Finite Elemente Methode zu analysieren und erste Verbesserungsvorschläge für das Nachfolgerfahrzeug zu erarbeiten. Um sich seinen Möglichkeiten bewusst zu werden, wurde zunächst das Reglement ausgiebig studiert. Nach ausgiebiger Recherche wurde das CAD-Modell des Rahmens für die Simulation vorbereitet, folglich durch verschiedene Lasteinwirkungen simuliert und dessen Auswirkungen analysiert. Um die Simulationsergebnisse zu validieren, wurden die in der Simulation vorkommenden Lasteinwirkungen in der Realität nachgestellt und miteinander verglichen.
Für zukünftig folgende Fahrzeugrahmen werden Verbesserungs- bzw. Optimierungsmethoden erarbeitet, um vor allem das Fahrzeuggewicht zu zu reduzieren und die Steifigkeit möglichst hoch zu halten.
Es ist von großem Nutzen, wenn energieeffiziente Leichtbaufahrzeuge einen effizienten und leichten Antrieb besitzen. Der aktuell verbaute Hatz-Dieselmotor des Schluckspecht S5 erfüllt diese Anforderungen nur teilweise. Aus diesem Grund wird der Motor zukünftig durch einen leichteren und effizienteren ethanolbetriebenen Ottomotor ersetzt. Da der Versuchsmotor keineswegs an die Anforderungen des Shell Ecomarathons angepasst ist und bis auf dessen Hubraum von 125 cm³ kaum Motordaten vorhanden sind, gilt es den Versuchsmotor verbrauchsoptimal zu applizieren. Die vorliegende Abschlussarbeit befasst sich mit den experimentellen Untersuchungen und einigen Optimierungen des ethanolbetriebenen Ottomotors am Motorenprüfstand. Um in Zukunft die Durchführung der Untersuchungen zu gewährleisten und den bestmöglichen Betrieb des Versuchsmotors zu garantieren, ist es elementar alle optimierten Bauteile für den Kraftstoff Ethanol auszulegen. Neben der Überarbeitung des Kraftstoffsystems liegt das Hauptaugenmerk hierbei auf der Optimierung des Kolbens und der Nockenwelle. Durch den optimierten Kolben soll die Verdichtung des Verbrennungsmotors erhöht und durch die optimierte Nockenwelle die Ventilsteuerzeiten perfektioniert werden. Demnach besteht die Aufgabe die Bauteile zu besorgen, die Fertigung zu koordinieren und den Umbau der optimierten Komponenten zu realisieren. Des Weiteren erfolgt die Konstruktion einer Kupplung, welche in Zukunft zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor montiert werden soll. Ein zentrale Tätigkeit ist die Fehlerbeseitigung am Motorenprüfstand, sodass der Versuchsalltag reibungslos abläuft. Die letzte Tätigkeit umfasst die Durchführung der experimentellen Untersuchungen des Verbrennungsmotors sowie das Anlegen von Kennfeldern, welche einen effizienten Motorlauf garantieren. Das Betriebskennfeld hinsichtlich der Last und Drehzahl wird mittels verschiedener Einstellparameter appliziert. Zur Unterstützung dienen dabei die Kalibrierungssoftware EcoCal und die Indizierungssoftware IndiCom.
Vorherige Studien haben gezeigt, dass eine Erhöhung der Biegesteifigkeit von Sprintschuhsohlen eine Leistungssteigerung bewirken kann. Der zugrunde liegende Mechanismus ist die sogenannte Getriebefunktion, die ein Potential zur effektiveren horizontalen Kraftentfaltung bietet. Ziel dieser Studie ist es, die Auswirkungen unterschiedlicher Biegesteifigkeiten auf die Beschleunigungsleistung, die kinematischen und kinetischen Eigenschaften der Getriebefunktion, sowie erstmals die Kraftentwicklung der Wadenmuskulatur zu beschreiben. Dreizehn männliche Athleten wurden mittels Ganzkörper Bewegungsanalyse in Kombination mit der Messung der Muskelaktivierung und der Bodenreaktionskraft während des zweiten Schritts einer 5 Meter Beschleunigung bei voller Anstrengung in handelsüblichen Schuhmodellen mit geringer Steifigkeit (C), mit gesteigerter Vor- und Mittelfußsteifigkeit (M) und mit zusätzlich gesteigerter Mittelfußsteifigkeit (S) untersucht. Für die Beschleunigungsleistung, sowie die kinematischen und kinetischen Parameter am Sprunggelenk wurde eine teilweise signifikante Verringerung bei gesteigerter Biegesteifigkeit festgestellt. Dieser negative Effekt konnte durch die zusätzliche Steigerung der Mittelfußsteifigkeit ausgeglichen und teilweise sogar umgekehrt werden. Die Kraftentwicklung der Wadenmuskulatur wurde durch die unterschiedliche Biegesteifigkeit nicht signifikant verändert. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass neben der Größe der Biegesteifigkeit auch der Ort und/oder die Relationen zwischen den lokalen Biegesteifigkeiten Einfluss auf die biomechanische Performance hat. Zukünftige Studien müssen klären, welche der Modifikationen tatsächlich Einfluss nimmt.
The Projekt-Sweaty is a project of the University of Applied Sciences of Offenburg, an autonomous robot is being developed that competes against a set of several international colleges and universities in the RoboCup.
"Sweaty" is a soccer-playing humanoid robot who participated in the RoboCup World Cup in Brazil for the first time in 2014.
RoboCup is a competition aimed at developing a robot soccer team that surpasses the human world champion team. The competition started in 1997 the first official RoboCup games and conferences were held with great success. More than 40 teams took part and more than 5,000 spectators attended. RoboCup’s rules change to promote advances in robot science and technology and to bring the league’s challenges closer to the real world.
Building a robot that plays football will not in itself generate a significant social and economic impact, but the realization will certainly be considered an important success for the field of robotics.
Thanks to the interaction of all the faculties, the team consists of professors and students from the fields of mechanical and process engineering, electrical engineering, information technology, and information and media technology. Students can use the project during their studies and use the knowledge acquired in practice to implement and through their own creative ideas complement.
Hintergrund: Im Laufsport sind Verletzungen, die durch Überlastungen an den unteren Extremitäten entstehen, weitverbreitet. Dabei spielt auch laufinduzierte Ermüdung eine große Rolle. Eine zunehmende Ermüdung beim Laufen und die daraus folgenden kinematischen Veränderungen des Laufverhaltens können das Bewegungs- und Stützsystem stärker belasten und somit zu einer Überlastung und Instabilität der unteren Extremitäten führen. Allerdings sind die genauen Auswirkungen der Ermüdung auf die kinematischen Veränderungen nicht ausreichend untersucht. Ziel: Daher war das Hauptziel der vorliegenden Arbeit zu untersuchen wie sich die, durch einen 10km Lauf ausgelöste, Ermüdung auf die Variabilität ausgewählter Raum-Zeit-Parameter von Freizeit- und Leistungsläu-fern auswirkt. Methodik: Dafür wurden dreidimensionale Bewegungsdaten von 24 Probanden (aufgeteilt in Freizeitläufer und Leistungsläufer) erfasst. Alle Pro-banden liefen einen 10 km-Lauf auf einem Laufband. Die Variabilität der ausgesuchten Parameter wurde mit Hilfe der Standardabweichung und des Variationskoeffizienten ermittelt. Die statistische Analyse erfolgte durch eine zweifache Varianzanalyse mit Messwiederholung. Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigten, dass die laufinduzierte Ermüdung einen Einfluss auf die Variabilität hat. Jedoch sind die Verläufe der Ergebnisse schwer zu interpretieren, da kein klares Muster zu erkennen ist. Ausblick: Zukünftige Arbeiten sollten vor allem unterschiedliche Sichtweisen zur Bewertung der Variabilität in einen kohärenten Rahmen bringen, um besser beurteilen zu können wann und welche Variabilität, je nach Parameter, einen positiven oder negativen Einfluss auf die Stabilität des menschlichen Gangs hat.
Einseitig transtibiale Amputationen führen häufig zu frühzeitigen degenerativen Erkrankungen wie Arthrose im nicht betroffenen Bein. Die genauen Prozesse, welche zu dieser Erkrankung führen, sind aktuell nicht ausreichend geklärt. Ziel dieser Literaturarbeit war es, ausgewählte biomechanische Parameter auf deren langfristige Auswirkungen auf das Knie- und Hüftgelenk der nicht betroffenen unteren Extremität zu untersuchen. Um die biomechanischen Arthroserisiken zu erfassen, wurden die beiden Maxima der vertikalen Bodenreaktionskraft sowie die externen maximalen Gelenksmomente in der Sagittal- und Frontalebene untersucht. Bestandteil dieser Untersuchung war sowohl der Vergleich dieser Parameter zwischen der nicht betroffenen Extremität der Amputierten mit einer gesunden Kontrollgruppe als auch der Vergleich zwischen der betroffenen und nicht betroffenen Extremität der einseitig amputierten Probanden. Es wurde eine systematische Literatursuche unter Verwendung der Datenbank PubMed durchgeführt, welche ein Suchergebnis von 288 Studien umfasste. Im Rahmen der Arbeit wurden ausschließlich Studien eingeschlossen, die einseitig transtibial amputierte Probanden im ebenerdigen Gehen mit einer passiven Prothese und mit einer selbstgewählten oder einer Gehgeschwindigkeit im Bereich von 0,70-1,40 m/s untersuchten. Ausgeschlossen wurden unter anderem Studien, welche die Nutzung von in den Knochen eingebrachten Prothesen und das Gehen mit zusätzlichem Gewicht untersuchten. Unter Berücksichtigung der zuvor definierten Ein- und Ausschlusskriterien erfolgte die Untersuchung der Fragestellungen anhand von 24 Studien. Die nicht betroffene Extremität der amputierten Probanden wies bis zu 19 % höhere vertikale Bodenreaktionskräfte auf als die Kontrollgruppe. Es wurden ebenfalls erhöhte maximale Adduktionsmomente an dem Knie- und Hüftgelenk der einseitig transtibial Amputierten im Vergleich zu der Kontrollgruppe festgestellt. Der Vergleich der beiden unteren Gliedmaßen der einseitig transtibial Amputierten ergab reduzierte Maxima der vertikalen Bodenreaktionskraft, reduzierte maximale Knieflexions- und Knieadduktionsmomente sowie reduzierte maximale Hüftadduktionsmomente der betroffenen Extremität verglichen zu der nicht betroffenen Seite. Die Ergebnisse dieser Literaturarbeit stimmten weitestgehend mit den Untersuchungsergebnissen weiterer Autoren überein. Die vermutlichen Risikofaktoren für das Auftreten von Arthrose in der allgemeinen Bevölkerung sowie in der untersuchten Population sind das externe maximale Knieadduktionsmoment in Kombination mit asymmetrischen Belastungen der unteren Extremitäten. Speziell für die einseitig transtibial Amputierten könnten Ursachen wie Muskelschwächen, mangelndes Vertrauen in die Prothese und Schmerzen Einfluss auf die Asymmetrie haben. Zukünftig kann eine Verbesserung des Gangbildes und der Symmetrie der Belastungen mit Hilfe von angetrieben Prothesen, welche durch eine aktive Abstoßbewegung der betroffenen Extremität ein physiologischeres Gangbild erzeugen können, erreicht werden. Darüber hinaus eignet sich die Betrachtung von Studien der einseitig transfemoral amputierten Population, um weitere Einblicke in die Kompensationsstrategien und ihre Auswirkungen bei einseitig amputierten Menschen zu erhalten.
In dieser Arbeit wird eine numerische Strömungssimulation an einem Doppeldiffusor des Formula Student Rennwagens der Hochschule Offenburg durchgeführt. Das primäre Ziel der Arbeit ist die Ermittlung des Abtriebswertes des Doppeldiffusors. Weitere Aufgaben sind die Darstellung der Luftströmung und die Ermittlung der Einflussfaktoren auf den Doppeldiffusor.
Der allgegenwärtige Einsatz von numerischen Strömungssimulationen, wie sie in der Industrie oder der Luft- und Raumfahrt vorkommen, führt zu einem deutlichen Anstieg der benötigten Möglichkeiten und erhöhten Ansprüche an die Programme. Dadurch können mittlerweile auch komplexe Szenarien zuverlässig simuliert werden, was durch die stetige Steigerung der Rechenleistung weiter an Bedeutung gewinnt. Da auch das Verhalten von nicht newtonschen Fluiden immer präziser über speziell erstellte rheologische Modelle vorhergesagt werden kann, gilt es nun zu prüfen, ob und wie gut diese Modelle in einer Simulation umgesetzt werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Simulation anhand eines konkreten Anwendungsfalles erstellt. Dabei wird das Viskositätsverhalten von drei scherverdünnenden Fluiden in einer Rohrleitung mit Querschnittreduzierung untersucht und dabei die Vorgehensweise geschildert. So wird unter anderem gezeigt, wie die Geometrie und deren Vernetzung durchzuführen ist und erklärt, welche Einstellungen für das gewünschte Strömungsverhalten erforderlich sind. Für die Beschreibung der Fluide werden dabei sowohl programmeigene Modelle als auch erweiterte Modelle verwendet, die in der Software implementiert werden müssen.
Bei dem Vergleich der Ergebnisse werden letztlich die Druckverluste, die in der Geometrie entstehen und verschiedene Schubspannungsverläufe mit den Messwerten aus der Literatur verglichen.
Mit der beim Fraunhofer IPM erforschten Digitalen Holographie können sekundenschnelle und sub-mikrometergenaue Höhenvermessungen von Oberflächen durchgeführt werden. Der am Institut verfügbare Sensor HoloTop NX ist dabei so kompakt und leicht, dass dieser über Koordinatenmessgeräte oder Werkzeugwechsler von Werkzeugmaschinen eingesetzt werden kann. Um auch Hinterschneidungen und große Innenzylinder vermessen zu können, wird im Rahmen dieser Arbeit eine selbstreferenzierende Umlenkeinheit zur Anpassung der Messrichtung des Sensors entwickelt und integriert. Die Umlenkeinheit setzt sich aus vielen funktionellen Bestandteilen zusammen, bei denen es sich um Spiegel, Schrittmotoren, Schleifringe, Zahnräder, Gleit- und Rillenkugellager handelt. Bei der Problembehandlung während der Montage werden Unstimmigkeiten analysiert und anschließend Lösungsoptionen ermittelt und umgesetzt. Über die zusammengestellte Steuereinheit und die Arduino-Plattform wird die Möglichkeit geschaffen, die integrierten Schrittmotoren gezielt anzusteuern. Referenzmarkierungen auf dem Spiegel ermöglichen mittels numerischem Fokussieren die Selbstreferenzierung der Umlenkeinheit – sie werden durch Sputtern erzeugt und bei Messungen erprobt. Abschließend wird bei der Charakterisierung des Systems der Einfluss von Schrittverlusten, Schrittfehlern und dem Spiel im Zahnrad und Kugellager auf die Positioniergenauigkeit der Umlenkeinheit untersucht.
Grey-box modelling combines physical and data-driven models to benefit from their respective advantages. Neural ordinary differential equations (NODEs) offer new possibilities for grey-box modelling, as differential equations given by physical laws and neural networks can be combined in a single modelling framework. This simplifies the simulation and optimization and allows to consider irregularly-sampled data during training and evaluation of the model. We demonstrate this approach using two levels of model complexity; first, a simple parallel resistor-capacitor circuit; and second, an equivalent circuit model of a lithium-ion battery cell, where the change of the voltage drop over the resistor-capacitor circuit including its dependence on current and State-of-Charge is implemented as NODE. After training, both models show good agreement with analytical solutions respectively with experimental data.
In dieser Arbeit wird das Verformungsverhalten und die Stabilität des Frontflügels des Formula Student Rennwagens der HS Offenburg untersucht. Die Analyse wird mittels der Finiten-Elemente-Methode durchgeführt (Programm: ANSYS Workbench). In der Simulation wird das Modell mit verschiedenen statischen Kräften belastet, unter anderem die Kräfte aus dem technischen Reglement und die auftretende Abtriebskraft. Neben der Verformung werden auch verschiedene Stabilisierungsmöglichkeiten analysiert. Zusätzlich zu den Simulationsergebnissen selbst werden in dieser Arbeit der Simulationsvorbereitungsprozess sowie die Konstruktion des Frontflügels und Grundlagen der FEM beschrieben. Eine Besonderheit bildet dabei die Verwendung des ANSYS Composite PrePost um die verwendeten Verbundwerkstoffe zu untersuchen.
Technologie spielt im Sport schon immer eine große Rolle. Mit steigender Leistungsdichte im Spitzensport wird versucht mithilfe technischer Hilfsmittel dem Sportler die optimalen Umstände zu ermöglichen. Dazu gehört nicht nur Technik im Sportequiptment, sondern auch Sportuntersuchungen wie Leistungsdiagnostiken. Im Laufsport zählen dazu Ausdauer- und Krafttests. Bei Ausdauertests werden physiologische Parameter wie Laktat, Herzfrequenz oder Sauerstoffaufnahme gemessen. Zusätzlich wird die Lauftechnik für einen kurzen Zeitpunkt analysiert. Wie sich diese unter anhaltender Belastung verhält, wird nicht untersucht. Mit neuen Technologien im Bereich Bewegungsanalyse, können immer schneller größere Datensätze ausgewertet werden. Aus diesem Grund wird in dieser Studie die Lauftechnik über mehrere Zeitpunkte aufgezeichnet und nach Ermüdungserscheinungen untersucht.
Dazu wurde am Institut für angewandte Trainingswissenschaften (IAT) während einer komplexen Leistungsdiagnostik im März 2021 bei einem Laufbandstufentest (4x2000m oder 4x3000m) die Lauftechnik von 15 Elite- und Elitenachwuchsläufer:innen (m=8, w=7) mithilfe eines 3D-Bewegungsanalyse Systems nach Veränderungen in Winkelstellung und Bodenreaktionskraft untersucht. Als physiologische Vergleichsparameter wurde Herzfrequenz und Laktat aufgenommen.
Bei der Analyse der Daten wurden diese in der Gruppe betrachtet. Dabei haben sich schwach signifikante Veränderungen (p=0,047) der vertikalen Bodenreaktionskraft links am Ende der Stufe aufgezeigt. Weitere signifikante Unterschiede (p=0,020) sind im maximalen Kniehub links zu einem größerer Hüftwinkel am Ende sichtbar. Da sonst keine signifikanten Unterschiede zu sehen sind, lässt sich, bei dem hier durchgeführten Protokoll, nicht statistisch gesichert feststellen, ob auftretende Ermüdungserscheinungen die Lauftechnik beeinflussen und verändern. Um festzustellen, ob es geschlechts- oder protokollanhängige Effekte hinsichtlich einer ermüdungsbedingte Lauftechnikveränderung gibt, wurde auch dies statistisch untersucht.
Hier zeigten sich jeweils in einzelnen Parametern signifikante Unterschiede (Parameter TO\_knee\_left; p=0,026) in der Geschlechtsspezifik und in der protokollabhängigen Untersuchung (Parameter TSw\_hip\_left; p=0,04)
Für weitere Studien zur Untersuchung von Lauftechnikveränderung sollten umfangreichere physiologische Daten zur genaueren Betrachtung der Ermüdung verwendet werden. Grundsätzlich müsste das Protokoll auf eine maximale Ausbelastung (beispielsweise Dauerstufentest von 10-15km oder Ausbelastungs-/Abbruchtest) ausgelegt sein.
Grundlegend ist festzustellen, dass sich Simi-Shape als 3D-Bewegungsanalyse-Methode eignet, um spezifische Parameter in der Lauftechnik zu diagnostizieren, gerade hinsichtlich der Effizienz im Auswerteprozess.
Diese Arbeit stellt eine Übersicht an Messverfahren einer komplexen biomechani-schen Bewegungsanalyse, die für eine „Return to Sport“-Entscheidung nach der operativen Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes genutzt werden, dar. Zu Beginn wurde die Datenbank PubMed nach auswertbaren Studien durchsucht. Danach erfolgte an Hand zuvor festgelegter Ein- und Ausschlusskriterien die Identifizierung von 64 Studien, welche der Thematik dieser Arbeit entsprechen. Die Extraktion der Informationen erfolgte in drei Blöcken. Zum einen wurden die biografischen Daten der Probandengruppe verglichen, um einen Überblick der am häufigsten an einer Ruptur des vorderen Kreuzbandes betroffen Personengruppe und deren Eigenschaften zu erhalten. Zum anderen wurden die angewendeten Messysteme für die Durchführung der komplexen biomechanischen Bewegungsanalyse aufgelistet und beschrieben. Dabei wurde in die drei Untergruppen Kinematik, Kinetik und EMG differenziert. Abschließend wurde der Testzeitpunkt im Bezug zum Return to Sport aus den einzelnen Studien entnommen und dargestellt. Durch die Auswertung der extrahierten Daten waren die folgenden Tendenzen sichtbar. Über die Hälfte der Studien wiesen eine Probandengruppe, die sowohl aus Frauen, als auch aus Männern besteht, auf. Auffällig ist außerdem, dass das Alter der Teilnehmer in Studien mit einem sehr großen Probandenumfang zwischen 23 und 27 Jahren mit einem BMI von 23 bis 27 kg/m² lag, was auf den Trainingszustand und eine damit verbundene erhöhte Belastung des vorderen Kreuzbandes besonders in diesem Alter hinweisen könnte. Die Analyse der kinematischen Auffälligkeiten im Rahmen einer komplexen biomechanischen Bewegungsanalyse erfolgte in den meisten Fällen mittels eines Motion Captur Systems. Während die Analyse der kinetischen Veränderung überwiegend mittels Druckmessplatten durchgeführt wurde. In beiden Bereichen fiel die Verwendung von alternativen Messmethoden auf. Selten wurden dynamische EMG-Messungen zur Betrachtung der Muskelaktivitäten angewendet. In der Darstellung der Testzeitpunkte wurde die Terminologie-Problematik des Begriffs „Return to Sport“ deutlich. Überraschend war der geringe Anteil an Studien, die eine komplexe biomechanische Bewegungsanalyse zur Feststellung, ob der Sportler für den Return to Sport bereit ist, verwendeten. Dies könnte auf die schwere Realisierbarkeit für eine Anwendung in der Praxis hinweisen.
Pure orbital blowout fractures occur within the confines of the internal orbital wall. Restoration of orbital form and volume is paramount to prevent functional and esthetic impairment. The anatomical peculiarity of the orbit has encouraged surgeons to develop implants with customized features to restore its architecture. This has resulted in worldwide clinical demand for patient-specific implants (PSIs) designed to fit precisely in the patient’s unique anatomy. Material extrusion or Fused filament fabrication (FFF) three-dimensional (3D) printing technology has enabled the fabrication of implant-grade polymers such as Polyetheretherketone (PEEK), paving the way for a more sophisticated generation of biomaterials. This study evaluates the FFF 3D printed PEEK orbital mesh customized implants with a metric considering the relevant design, biomechanical, and morphological parameters. The performance of the implants is studied as a function of varying thicknesses and porous design constructs through a finite element (FE) based computational model and a decision matrix based statistical approach. The maximum stress values achieved in our results predict the high durability of the implants, and the maximum deformation values were under one-tenth of a millimeter (mm) domain in all the implant profile configurations. The circular patterned implant (0.9 mm) had the best performance score. The study demonstrates that compounding multi-design computational analysis with 3D printing can be beneficial for the optimal restoration of the orbital floor.
The Timed-Up-and-Go (TUG) test aims to assess mobility, balance, walking ability, and fall risk during walking. The instrumentalization of the TUG is already described in the literature and is beginning to be implemented in the industry. The products proposed by Zhortech and Digitsole, namely connected insoles, as well as additional sensors placed on the sternum and the right and eventually left femur allow the instrumentalization of the test.
An algorithm of detection and evaluation of the TUG has been developed in two versions. The first one (V1) aiming simply to calculate the total duration of the test. A second version is an improvement of V1, allowing to segment the TUG in three sub-phases: Sit-Stand, walking, Stand-Sit. These algorithms have been declined in a variant with the five sensors mentioned, and one without the sensor of the left femur.
The performance of the algorithms was compared to manual labeling performed on video. The comparison includes a bland-Altman plot and a correlation for the total test duration, but also for the sub-phase’s duration according to the two variants.
The TUG duration shows very good results regarding the limits of agreements (lLoA = -0.33 s and uLoA+0.6 s). The bias of 0.13 s indicated that the algorithm overrates the duration of the TUG. The results of the TUG subphases are less accurate. Although the correlation coefficient is between 0.76 and 0.96 for the different subphases, the limits of agreements are still very high, between -0.71 s and -0.5 s for the lLoA and +0.39 s and +0.58 s for the uLoA. These limits of agreements indicated that the Sit-Stand and Stand-Sit transition are not accurate enough yet. The dispersion is high for a transition that could last between about one and six seconds. The two variants, with and without a sensor on the left femur, present similar results.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Fertigung der beiden vorderen Radkästen des Fahrzeugs einschließlich konstruktiver Auslegung und Berechnung aufgezeigt. Zu Beginn der Bachelorthesis ist bereits eine Vorauslegung der Radkasten-Konstruktion auf Basis der Strömungsoptimierung vorhanden, welche für die Auslegung und Fertigung dieser Arbeit herangezogen wird.
Über eine geeignete Konzeptfindung hinsichtlich den an die Radkästen gestellten Anforderungen und über die fertigungsgerechte Auslegung des auf Leichtbau getrimmten Bauteils wird demzufolge die eigentliche Fertigung mittels CFK-Prepreg erläutert.
Die Konzeptionsphase beinhaltet nach einer Wettbewerbsanalyse sowie dem Belehren über diverse Analogien die generelle Lösungsfindung des Konzepts über eine Nutzwertanalyse.
Im Bereich der Konstruktion wird die vorhandene Vorauslegung weiter optimiert und zusammen mit den benötigten Aussparungen sowie den Befestigungselementen für den Verbau beschrieben. Hinsichtlich Konstruktion wird zudem eine gewisse Bauteilfestigkeit vorausgesetzt, die über eine Modalanalyse abgesichert wird. Betreffend Befestigung werden 3D-Druck-Teile modelliert und eingesetzt. Zur Umsetzung der Befestigung an der Radnabe wird darüber hinaus die Radverschraubung so überarbeitet, dass eine simultane Befestigung des Radkastens und des Rades ermöglicht wird.
Für die Fertigung der Radkästen wird auf die CFK-Prepreg Technologie zurückgegriffen, für welche im Vorfeld diverse Versuchs- und Einstellparameter geklärt werden. Zu den Parametern zählen in erster Linie die angefahrenen Druck- und Temperaturwerte für die Aushärtung sowie ein präziser Aufbau der einzelnen Lagen für die Prepreg-Fertigung.
Konstruktiv besteht ein Radkasten aus zwei Hälften, die im Anschluss der Fertigung mittels geeigneter Verbindungsteile und über das Verfahren des Nasslaminierens zusammengefügt werden.
Den Abschluss der Bachelorthesis bildet das Einpflegen des vollständigen CAD-Modells sowie der Verbau der beiden Radkästen am Gesamtfahrzeug.
Im Rahmen einer Kraftstoffumstellung des Fahrzeuges Schluckspecht 5 wird diesem ein neuer Antriebsstrang verliehen. In einer bereits bestehenden Hinterachsbaugruppe sind funktionale Optimierungen vorgenommen worden, welche den Fahrzeugeinbau des Antriebsstrangs beschleunigen.
Durch die bestmögliche Ausrichtung und Justierung aller am Antriebsstrang verwendeten Bauteile konnte das erhöhte Reibmomentaufkommen an der Radnabe um 60 % verringert werden. Um diesen Zustand reproduzierbar zu gestalten, steht dem Team Schluckspecht ab sofort eine Montageanleitung bereit. Diese stellt ein Schritt-für-Schritt-Dokument für die Reibmoment-Reduzierung im Antriebsstrang dar.
Die mechanische Bearbeitung der am Schaltvorgang beteiligen Zahnräder sorgt für ein besseres axiales Einfinden bei einem Gangwechsel. Eine neue Getriebehalterung soll dafür Sorge tragen, dass sich auftretende Verspannungen aus dem Antriebsstrang nicht in die Getriebeeinheit übertragen. Ob der Schaltvorgang des Fahrzeuges damit reibungslos vollzogen werden kann, muss in Versuchen im Nachgang bestätigt werden.
Eine 3D-gedruckte Polradabdeckung verhindert potenzielle Gefahrenstellen durch sich drehende Teile am Motorblock. Dieses Bauteil wurde nach den dafür vorgesehenen Sicherheitsstandards entwickelt.
Da es sich beim Schluckspecht 5 um ein Leichtbaufahrzeug handelt, musste die Anforderung einer geringen Masse mit gleichzeitig genügend Steifigkeit stets beachtet werden. Außerdem darf keine der vorgenommenen Arbeiten den Wirkungsgrad des Fahrzeuges negativ beeinflussen.
Entwicklung eines Kompaktantriebs auf Basis eines Zykloidgetriebes für den humanoiden Roboter Sweaty
(2021)
Besonders der Antrieb von nichtstationären Robotern stellt in der Praxis eine große Herausforderung dar. Es werden oft hohe Drehmomente bei relativ geringen Drehzahlen benötigt. Die Masse der Antriebe muss dabei so gering wie möglich sein. Es ist somit eine drehmomentstarke Kombination aus einem Motor und einem Getriebe unerlässlich. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines drehmomentstarken Kompaktantriebs auf Basis eines Zykloidgetriebes. Das Ziel ist es, Drehmomente von bis zu 30N·m mit einer Drehzahl von 0,5 s−1 bei einer möglichst geringen Masse zu erzielen. Es werden der Aufbau, die Funktionsweise und die Belastungsprinzipien von Zykloidgetrieben erklärt und mehrere Prototypen eines Getriebes angefertigt. Diese unterscheiden sich in der Fertigungstoleranz der Zykloidenscheibe so, dass der Einfluss der Toleranz auf das Getriebespiel untersucht werden kann. Bei einem Untermaß von −0,04mm ergibt sich dabei das geringste Spiel mit 0,83°.
Um die eine Aussage über die Festigkeit des Getriebes treffen zu können, wird zudem ein, auf der Hertzschen Flächenpressung basierendes, analytisches Berechnungsmodell entwickelt. Dieses wird in einem Python-Skript umgesetzt, sodass die Flächenpressungen des Prototypengetriebes berechnet werden können. Es zeigt sich hierbei, dass die Aufnehmertascheen der Zykloidenscheibe stärker belastet sind als die Verzahnung.
Mit Hilfe eines Prüfstands werden die Getriebe unter der Verwendung von unterschiedlichen Schmierstoffen getestet. Die Tests zeigen, dass die Schmierung des Getriebes einen starken Einfluss auf die Verschleißbildung hat. Bei einem niedrigviskosen Öl kommt es im Versuch zu einem Schmierfilmabriss und somit zu einem verstärkten Verschleiß im Getriebe. In den Tests kommt es zu keiner Grübchenbildung bei den Getrieben. Es zeigt sich jedoch, dass die Kugellager im Getriebe einer hohen Belastung ausgesetzt sind.
Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird final ein Kompaktantrieb entwickelt. Dieser besitzt zwei um 180° versetzte, optimierte Zykloidenscheiben mit einer geköpften und verkürzten Epizykloide. Um die Verschleißbildung zu minimieren, werden die beiden Scheiben gehärtet und manganphosphatiert. Zudem wird ein Getriebefließfett mit einer besonders niedrigen Viskosität eingesetzt. Das Ergebnis der Arbeit ist ein drehmomentstarker Kompaktantrieb mit einem Spitzendrehmoment von bis zu 42N · m bei einem Gewicht von nur 0,550 kg.
Die Ruptur des vorderen Kreuzbandes (VKB) im Knie ist eine häufige, schwerwiegende und mit hohen Kosten verbundene Verletzung im Sport. Eine erfolgreiche Rehabilitation und Rückkehr in den Wettkampfsport ist trotz zahlreicher wissenschaftlicher Erkenntnisse schwierig. Um das Wiederverletzungsrisiko zu minimieren und den optimalen Zeitpunkt für ein Back To Sport (BTS) zu definieren, werden in der Literatur sehr umfangreiche Assessments vorgegeben, die hohe Anforderungen an Gerätschaften, Geld und Zeit stellen. Durch ein bereitgestelltes Lasersystem für den Olympiastützpunkt (OSP) Freiburg-Schwarzwald wurde überprüft, ob ein einziger funktioneller Test mit dem Lasersystem ein BTS-Assessment ersetzen kann. Dafür wurde eine kleine Studie mit 10 Kreuzbandpatienten durchgeführt. Die Studienteilnehmer wurden durch ein umfangreiches Assessment geführt, wie sie aus aktuellen Studien vorgegeben wird, und absolvierten einen funktionellen Sprungtest mit dem Lasersystem. Um Zusammenhänge der Sprungtest- und der Assessmentergebnisse festzustellen, wurde eine Korrelationsanalyse durchgeführt. Diese zeigte, dass einzelne Tests aus dem Assessment signifikante Zusammenhänge mit den Ergebnissen des Sprungtests hatten. Zukünftig könnte man in Erwägung ziehen, diese zu ersetzen.
The German government is aiming to increase the share of renewable energies in the electricity supply to 80% in 2050. To date, however, neither the technical requirements nor the market requirements to implement this aim are provided: Germany is struggling to establish the technical requirements and the market requirements to meet this goal. As an important incentive mechanism, the German government has used and continues to use support measures, such as guaranteed feed-in tariffs, and continuously adapts these to market developments and requirements of the European Union. The purpose of the study is to outline a concept for the implementation of regional flexibility markets in Europe based on a thorough review of technical solutions. The method of a comprehensive review of research in regional flexibility markets of electricity, distribution, and pricing from the study is applied to summarize and discuss the opportunities, risks, and future potentials of grid distribution technology. Based on the insights, a new market-based supply and distribution scheme for electricity, which is aimed to benefit of a fully regenerative, decentral and fairly priced electricity markets on the European level is presented. The study suggests a blockchain based pricing mechanism which shall allow equal market access for consumer, providers, and grid operators and rewards regenerative production and short-distance transmission.
Considering the literature for aqueous rechargeable Zn//MnO2 batteries with acidic electrolytes using the doctor blade coating of the active material (AM), carbon black (CB), and binder polymer (BP) for the positive electrode fabrication, different binder types with (non-)aqueous solvents were introduced so far. Furthermore, in most of the cases, relatively high passive material (CB+BP) shares ~30 wt% were applied. The first part of this work focuses on different selected BPs: polyacrylonitrile (PAN), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), cellulose acetate (CA), and nitrile butadiene rubber (NBR). They were used together with (non-)aqueous solvents: DI-water, methyl ethyl ketone (MEK), and dimethyl sulfoxide (DMSO). By performing mechanical, electrochemical and optical characterizations, a better overall performance of the BPs using aqueous solvents was found in aqueous 2 M ZnSO4 + 0.1 M MnSO4 electrolyte (i.e., BP LA133: 150 mAh·g−1 and 189 mWh·g−1 @ 160 mA·g−1). The second part focuses on the mixing ratio of the electrode components, aiming at the decrease of the commonly used passive material share of ~30 wt% for an industrial-oriented electrode fabrication, while still maintaining the electrochemical performance. Here, the absolute CB share and the CB/BP ratio are found to be important parameters for an application-oriented electrode fabrication (i.e., high energy/power applications).
This paper shows the results of an in-depth techno-economic analysis of the public transport sector in a small to midsize city and its surrounding area. Public battery-electric and hydrogen fuel cell buses are comparatively evaluated by means of a total cost of ownership (TCO) model building on historical data and a projection of market prices. Additionally, a structural analysis of the public transport system of a specific city is performed, assessing best fitting bus lines for the use of electric or hydrogen busses, which is supported by a brief acceptance evaluation of the local citizens. The TCO results for electric buses show a strong cost decrease until the year 2030, reaching 23.5% lower TCOs compared to the conventional diesel bus. The optimal electric bus charging system will be the opportunity (pantograph) charging infrastructure. However, the opportunity charging method is applicable under the assumption that several buses share the same station and there is a “hotspot” where as many as possible bus lines converge. In the case of electric buses for the year 2020, the parameter which influenced the most on the TCO was the battery cost, opposite to the year 2030 in where the bus body cost and fuel cost parameters are the ones that dominate the TCO, due to the learning rate of the batteries. For H2 buses, finding a hotspot is not crucial because they have a similar range to the diesel ones as well as a similar refueling time. H2 buses until 2030 still have 15.4% higher TCO than the diesel bus system. Considering the benefits of a hypothetical scaling-up effect of hydrogen infrastructures in the region, the hydrogen cost could drop to 5 €/kg. In this case, the overall TCO of the hydrogen solution would drop to a slightly lower TCO than the diesel solution in 2030. Therefore, hydrogen buses can be competitive in small to midsize cities, even with limited routes. For hydrogen buses, the bus body and fuel cost make up a large part of the TCO. Reducing the fuel cost will be an important aspect to reduce the total TCO of the hydrogen bus.
With the increasing share of renewable energies and the nuclear phase-out, the energy transition is accelerating. From the perspective of building technology, there is great potential to support this transition given its large share in total energy consumption and the increasing number of flexible and controllable components and storages. However, a question often asked at the plant level is: "How do we use this flexibility to support the regional grid?". In this work, a grid-supportive controller of a real-world building energy plant was developed using mathematical optimisation methods and its technical feasibility was demonstrated. The results could convince actors from the energy industry and academia about the practicality of these methods and offer tools for their implementation.
This work presents the results of experimental operation of a solar-driven climate system using mixed-integer nonlinear model predictive control (MPC). The system is installed in a university building and consists of two solar thermal collector fields, an adsorption cooling machine with different operation modes, a stratified hot water storage with multiple inlets and outlets as well as a cold water storage. The system and the applied modeling approach is described and a parallelized algorithm for mixed-integer nonlinear MPC and a corresponding implementation for the system are presented. Finally, we show and discuss the results of experimental operation of the system and highlight the advantages of the mixed-integer nonlinear MPC application.
Die freie Achillessehne wird bis heute meist als homogene Struktur betrachtet. Jedoch gibt es viele anatomische Studien, die einen verdrehten Aufbau der Achillessehne aufzeigen. Des Weiteren gibt es Studien der Achillessehne in vivo (hier nur in der Sagittalebene), als auch in vitro, bei denen heterogene Verschiebungen nachgewiesen wurden. So stellt sich die Frage, ob die Achillessehne wirklich als homogene Struktur betrachtet werden kann oder ob der besondere Aufbau einen maßgeblichen Einfluss auf die Physiologie hat. In dieser Studie sollen nun mit Hilfe von Ultraschalluntersuchungen Bewegungen in der Transversalebene der Achillessehne aufgenommen werden. Eine solche Studie gab es bisher noch nicht und könnte deswegen weitere wichtige Informationen über die Achillessehne liefern. Durch lokale, isolierte Stimulationen des musculus gastrocnemius medialis (GM) und musculus gastrocnemius lateralis (GL), soll gezeigt werden, ob es zu heterogenen Bewegungsmustern in der Achillessehne kommt. Analysiert werden die Ultraschallaufnahmen mittels einem 2D Speckle Tracking Verfahren, das auch in anderen Studien in der Sagittalebene verwendet wurde, seinen Ursprung jedoch in der Kardiologie findet. In dieser Pilotstudie wurden fünf Proband:innen (29,2 ± 8,5 Jahre) untersucht. Als Ergebnis wurden bei fast allen Proband:innen lokal unterschiedliche Bewegungsmuster in der Achillessehne bei isolierter Stimulation des GM und GL erfasst. In den drei Stimulationen, die pro Muskel durchgeführt wurden, waren die Ergebnisse innerhalb eines Probanden jeweils sehr ähnlich. Um die Funktionsweise und deren Einfluss nun noch genauer zu analysieren, gilt es in der Zukunft weitere Parameter in das Grundkonzept dieser Studie hinzuzufügen und mehr Proband:innen zu testen.
Ziel der folgenden Bachelorarbeit ist es, eine Steuerung für einen Motorenprüfstand zu entwickeln. Dieser wurde von Aaron Maier geplant und konstruiert. Die Steuerung soll es ermöglichen, die Motoren des Prüfstands sowohl manuell als auch automatisiert anzusteuern. Dabei sollen die Parameter Drehmoment, Drehzahl, Spannung, Strom sowie die Temperatur der Motoren automatisiert, oder auf Knopfdruck erfasst und abgelegt werden. Die Arbeit umfasst die Auswahl der benötigten Hardwarekomponenten, das Verbauen dieser Komponenten in einem Bedienpult, die elektrische Verschaltung dieser Komponenten, die Programmierung des Microkontrollers und das Erstellen einer Dokumentation.
Die neue EU-Medizinprodukteverordnung 2017/745, die Medical Device Regulation (MDR), wird nach einer vierjährigen Übergangsphase zum 26. Mai 2021 für sämtliche Medizintechnikhersteller rechtswirksam (Vgl. Europäische-Kommission, 2020). Die MDR ersetzt die bis dato geltende Medical Device Directive (MDD). Ein wesentlicher Bestandteil der MDR für Medizintechnikhersteller ist die verpflichtende Konzeption und Einführung eines Qualitätsmanagementsystems. Die R&E Stricker Reha-Entwicklungen GmbH hat bis zu Beginn dieses Projektes noch kein Qualitätsmanagementsystem in ihrer Unternehmensstruktur implementiert. Da dies allerdings mit der MDR verpflichtend wird, soll durch diese Arbeit ein auf die Firma Stricker angepasstes Qualitätsmanagementsystem erarbeitet werden. Zusätzlich werden durch die MDR erweiternde wie auch neue Anforderungen an die verschiedenen Unternehmensbereiche der Medizintechnikhersteller gestellt (Vgl. Johner Institut GmbH, 2020a). Durch neu konzipierte und implementierte Prozesse sollen jene Anforderungen bzw. der gesamte Bereich des Qualitätsmanagements der Firma Stricker ausgebaut werden.
Bifaziale Photovoltaikmodule werden durch ihre höhere Leistung, bezogen auf den Flächenbedarf immer attraktiver. Die meisten der bislang hergestellten Photovoltaik Module sind Monofazial ausgeführtund schöpfen damit nicht ihr vollständiges Potential aus. Weiterhin bestehen die konventionell hergestelltenPhotovoltaik(PV) Module aus einem Verbund aus Glas und Kunststoff sowie verschiedenen Metallen, was die Entsorgung oder ein Recycling kostenaufwendig und kompliziert gestaltet. Die Firma Apollon greift diese Punkte auf und versucht, beides in dem NICE-Modul(Siehe Anhang 12.1)zu vereinen,nämlich ein bifaziales Modul, bei dem die PV-Zellen zwischen zwei Glasplatten, anstelle von zwei Kunststoffen eingespannt werden. Die Hochschule Offenburg ist F&E-Partner der Firma Apollon und betreibt ein kleines Labor zur Herstellung von NICE-Modulen. Zu Testzwecken werden diese der Witterung ausgesetzt und so der Energieertrag,sowie deren Lebensdauer unter geltenden Witterungsbedingungen ermittelt. In der Masterarbeit von Benjamin Smith[1]stellte sich heraus, dass sich bei den Modulen nach weniger als zwei Wochen im Freien die Klebefläche zwischen den Glasplatten löste. Somit fielen die Module beim Witterungstest unter realen Bedingungen durch.Im Anschluss an die Arbeit von Benjamin Smith besteht diese Arbeit darin,einen Außenteststand zu konzipieren und aufzubauen, um das in Zwischenzeit neu entworfene Klebe-konzept, welches einem TC 50 Test standhielt, auf die Lebensdauer im Freien und das PV Modul selbst auf den elektrischen Ertrag zu untersuchen. Für den elektrischen Ertrag werden Strom-und Spannungsverlauf aufgezeichnet. Außerdem musste für eine Charakterisierung der Module die Bestrahlungsstärke,der Temperaturverlauf, sowie die Inho-mogenität der Bestrahlungsstärke auf der Rückseite und die Windgeschwindigkeit ermittelt werden. Um eine Alterung des Modulwechselrichters auszuschließen, werden speziell dafür die Wechselspannung und Leistung auf der Ausgangsseite des Modulwechselrichters aufgezeichnet. Sämtliche modulrelevanten Messwerte werden im 3-5 s Intervall abgespeichert und sind auf einem Webserver sowie für eine spätere Datenanalyse als .csv Datei abrufbar. Somit eignet sich die Messeinrichtung lediglich für eine Bilanzierung,nicht aber für eine Leistungsmessung.
Für den Außenteststand musste eine Unterkonstruktion, geeignet für bifaziale Module entworfen und aufgebaut werden. Die Konstruktion ist vollständig aufgebaut. Das Messsystem wurde auf deren Funktion erfolgreich geprüft und steht bis auf die Strahlungsinhomogenitätsmessung im Technikum am Campus Nord der Hochschule Offenburg bereit zur Inbetriebnahme.
Die vorliegende, schriftliche Dokumentation befasst sich mit der Entwicklung, Konstruktion und Ausarbeitung eines speziellen Sonderbetriebsmittels im Bereich der Umformtechnik.
Aus Gründen der Materialersparnis soll ein Stanzwerkzeug zur Herstellung von asymmetrischen Blech-Rohlingen dahingehend optimiert werden, dass die Schneid-Elemente pro Ar-beitsgang eine Drehung um 180° durchführen können. Durch diese Maßnahme soll erreicht werden, dass zwischen den ausgeschnittenen Rohlingen weniger Abfallmaterial anfällt, wo-durch Materialkosten im laufenden Fertigungsprozess eingespart werden können.
Die Arbeit beinhaltet das systematische Erfassen von Anforderungen und prozessbedingten Gegebenheiten, die Erarbeitung von Lösungskonzepten, sowie das Ausarbeiten eines aus-gewählten Konzepts als detaillierte Konstruktion. Letztgenannte umfasst das Erstellen funktions- und fertigungsgerechter Einzelkomponenten und Baugruppen, die Auslegung und Auswahl benötigter Zukauf-Komponenten, sowie das Ableiten fertigungsgerechter technischer Zeichnungen.
Als Nachweis der Funktion der erarbeiteten Vorrichtung werden sowohl eine Bewegungssimulation, als auch entsprechende Nachweisrechnungen der Bauteilfestigkeit unter Berücksichtigung wirkender Prozesskräfte durchgeführt.
Resultat dieser Arbeit ist eine erwiesenermaßen funktionsfähige Konstruktion, die sämtliche von Seiten des Auftraggebers gestellten Anforderungen erfüllt.
Das Team Schluckspecht der Hochschule Offenburg fährt seit 1998 bei dem Wettbewerb Shell-Eco-Marathon beachtliche Erfolge mit Leichtbaufahrzeugen ein. Seit der ersten Teilnahme an diesem Wettbewerb, werden die Fahrzeuge kontinuierlich weiterentwickelt und den von der Rennleitung vorausgesetzten Bedingungen an-gepasst. Im Jahr 2020 soll der mittlerweile schon 17 Jahre alte Schluckspecht 3 durch den neu entwickelten Schluckspecht 6 ersetzten werden.
Zu Beginn dieser Bachelorthesis liegt bereits eine gefertigte Negativform des Monocoques aus glasfaserverstärktem Kunststoff vor. Das Ziel der Bachelorthesis ist die Fertigung des Monocoques aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Nach der Recherche zu den theoretischen Grundlagen erfolgen das Planen und Durchführen von Versuchen. Die Versuche dienen zur Lösungsfindung der zuvor festgelegten Aufgabenstellungen für die Fertigung des Monocoques. Es werden Versuche zu den im Fahrzeug zu platzierenden Inlays, der Fensterbefestigung, den Ab-schusskanten und Übergängen am Fahrzeug und dem Kabelkanal durchgeführt. Anhand der Versuchsergebnisse wird die Zielvariante für das zu fertigende Monocoque festgelegt. Alle relevanten festgelegten Maßnahmen müssen mit den im Projekt beteiligten Bauteilverantwortlichen abgeklärt werden. Die Bearbeitung der Negativform beinhaltet das Versteifen mit Holzstreben und eine Wärmebehandlung. Daraufhin werden zwei Backvorgänge zum Aushärten des Fahrzeugs durchgeführt. Abgeschlossen wird die Fertigung mit dem Finishing des Monocoques. Die Herausforderung dieses Projekts besteht darin, das angeeignete Wissen zunächst auf die Versuche und schlussendliche auf die Fertigung des gesamte Monocoque zu übertragen.
3D–Druck hat sich in den letzten Jahren extrem schnell entwickelt und bekommt eine immer größer werdende Bedeutung in der Industrie. Es ist ein Verfahren womit schnell und kostengünstig Modelle, Prototypen, aber auch fertige und einsatzfähige Produkte hergestellt werden können.
Auch Industrieroboter spielen in der Fertigung und Montage eine immer größer werdende Rolle und können flexibel für verschiedene Arbeiten eingesetzt werden.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden diese beiden Systeme miteinander kombiniert. Es wird aufgezeigt, wie ein FDM-Druckkopf für die Anwendung an einem Industrieroboter konzipiert, konstruiert und in Betrieb genommen wird, um Drucke am Industrieroboter durchführen zu können.
Aufgabe dieser Arbeit ist es, eine Fertigungskombination aus zwei unterschiedlichen Fügetechniken zu untersuchen. Bei den beiden Fügetechniken handelt es sich einmal um das Ultraschallschweißen von Polyamid und das Fügen einer Schneidklemmverbindung, kurz SKV. Diese beiden Verfahren sollen in einer Anlage kombiniert werden. Die sogenannte Schneidklemmverbindung ist eine Kontaktiertechnik aus dem Elektronikbereich, welche seit einigen Jahren verstärkt im Bereich Automotive eingesetzt wird. Die Kombination dieser beiden Verfahren soll es ermöglichen, eine höhere Produktqualität zu erzeugen und Maschinen- sowie Fertigungskosten zu senken.
Im Fokus dieser Arbeit steht die Schneidklemmverbindung. Die Energie, welche durch das Ultraschallschweißen der Fügepartner in das Bauteil gelangt, kann dafür sorgen, dass sich die Kontaktierung der Schneidklemme verschlechtert. Dieser Einfluss soll durch verschiedene Messungen sichtbar und bewertbar gemacht werden. Zusätzlich wird die Schweißnaht der Fügepartner untersucht, um die Vorteile und Nachteile gewisser Designkriterien besser einschätzen zu können.
Inhaltlich wird das Unternehmen Robert Bosch GmbH vorgestellt sowie die Aufgabenstellung erläutert. Das Kapitel 2 dieser Arbeit beinhaltet Informationen bezüglich der in der Fertigung bisher verwendeten Prozesse und beschäftigt sich außerdem mit den Grundlagen zur Untersuchung dieses neuen Kombinationsprozesses sowie mit den bisher vorliegenden Ergebnissen. Das darauffolgende Kapitel legt dar, wodurch der untersuchte Prozess kostensparend sein könnte. Weiterhin befasst sich dieses Kapitel mit der ultraschallgerechten Konstruktion, den verwendeten Schweißanlagen und den geforderten Anforderungen. Kapitel 4 beschreibt, wie die Prüfkörper der zwei Messreihen präpariert und bearbeitet werden, um neue Erkenntnisse des Verbundprozesses hinsichtlich der Schneidklemme zu erhalten. Die tatsächlichen Messungen und deren Auswertung finden sich im Kapitel 5. Die beiden Messreihen werden getrennt voneinander betrachtet und ausgewertet. In Kapitel 6 werden die Ergebnisse der Prüf- und Testverfahren diskutiert und bewertet. Das letzte und abschließende Kapitel fasst die gesamte Arbeit nochmals zusammen und gibt einen Ausblick in Richtung neuer Prüfkörper und deren Konstruktion.
Konstruktion, Fertigung und experimentelle Optimierung einer Lenkung für ein Leichtbaufahrzeug
(2021)
Diese Bachelorthesis umfasst die Fertigung eines nach Ackermann ausgelegten Lenksystems für ein Leichtbaufahrzeug. Der besondere Fokus dieser Arbeit liegt beim Einbau der Komponenten in das Chassis. Dabei werden die nötigen Vorrichtungen und das Vorgehen beschrieben, um sicherzustellen, dass die Lenkkinematik nach ihrer ursprünglichen Auslegung funktioniert und alle Teile des Fahrwerks möglichst effizient betrieben werden können. Weiterhin wird beschrieben, wie die Komponenten der Lenkung während des Montage- und Fertigungsprozesses weiterentwickelt wurden. Abschließend wird die montierte Lenkung experimentell getestet, um die Qualität der Arbeit beurteilen zu können.
The Lattice Boltzmann Method is a useful tool to calculate fluid flow and acoustic effects at the same time. Although the acoustic perturbation is much smaller than normal pressure differences in fluid flow, this direct calculation is a great advantage of the Lattice Boltzmann Method (LBM). But each border used in calculation produces a multitude of reflections with the acoustic waves, which lead to an unusable result. Therefore, it is worked on different absorbing techniques.
In this thesis three absorbing layer techniques are described, explained and reviewed with different simulations. The absorbing layers are implemented in a basic LBM code in C++, and with this umpteen simulations within a box were performed to compare the different absorbing layers. The Doppler effect and a cylinder flow are also examined to compare the damping efficiencies.
The three studied absorbing techniques are the sponge layer, the perfectly matched layer and a force based Term II absorbing layer. The sponge layer is easy to implement but gives worse results than a calculation without any absorbing layer. The perfectly matched layer and a force based absorbing term provide very good results but the perfectly matched layer has problems with instability. The force based absorbing layer represents the best compromise between the additional computation time due the absorbing layer and the achieved damping efficiency.
Lithium‐ion battery cells are multiscale and multiphysics systems. Design and material parameters influence the macroscopically observable cell performance in a complex and nonlinear way. Herein, the development and application of three methodologies for model‐based interpretation and visualization of these influences are presented: 1) deconvolution of overpotential contributions, including ohmic, concentration, and activation overpotentials of the various cell components; 2) partial electrochemical impedance spectroscopy, allowing a direct visualization of the origin of different impedance features; and 3) sensitivity analyses, allowing a systematic assessment of the influence of cell parameters on capacity, internal resistance, and impedance. The methods are applied to a previously developed and validated pseudo‐3D model of a high‐power lithium‐ion pouch cell. The cell features a blend cathode. The two blend components show strong coupling, which can be observed and interpreted using the results of overpotential deconvolution, partial impedance spectroscopy, and sensitivity analysis. The presented methods are useful tools for model‐supported lithium‐ion cell research and development.
This article presents a comparative experimental study of the electrical, structural and chemical properties of large‐format, 180 Ah prismatic lithium iron phosphate (LFP)/graphite lithium‐ion battery cells from two different manufacturers. These cells are particularly used in the field of stationary energy storage such as home‐storage systems. The investigations include (1) cell‐to‐cell performance assessment, for which a total of 28 cells was tested from each manufacturer, (2) electrical charge/discharge characteristics at different currents and ambient temperatures, (3) internal cell geometries, components, and weight analysis after cell opening, (4) microstructural analysis of the electrodes via light microscopy and scanning electron microscopy, (5) chemical analysis of the electrode materials using energy‐dispersive X‐ray spectroscopy, and (6) mathematical analysis of the electrode balances. The combined results give a detailed and comparative insight into the cell characteristics, providing essential information needed for system integration. The study also provides complete and self‐consistent parameter sets for the use in cells models needed for performance prediction or state diagnosis.
Druckluft ist verdichtete atmosphärische Luft und wird in der Industrie sowie im Handwerk als Energieträger genutzt. Den vielfältigen Vorteilen stehen aber auch einige Nachteile gegenüber, wobei der wichtigste der Preis ist. Druckluft gilt als eine der teuersten Energieformen und die Energiekosten stellen den größten Kostenfaktor bei der Produktion dar. In der vorliegenden Arbeit soll eine modellprädiktive Regelung eines Druckluftsystems entworfen und implementiert werden. Das ökonomische Regelziel besteht darin, die Energiekosten bei der Erzeugung von Druckluft zu senken. Die Implementierung umfasst unterschiedliche Varianten eines Druckluftsystems. Dazu zählen folgende Auslegungsvarianten:
• Ein Druckluftsystem mit frequenzgeregeltem Kompressor
o Mit einem Schraubenkompressor
o Mit zwei Schraubenkompressoren
• Ein Druckluftsystem mit binärgeregeltem Kompressor
o Schraubenkompressor
o Kolbenkompressor
Basierend auf den erstellten Modellen wird ein modellprädiktiver Regler entworfen und implementiert. Die modellprädiktive Regelung leistet einen entscheidenden Beitrag zur Prozessoptimierung. Der Optimierungsalgorithmus erhöht bei niedrigen Strompreisen das Druckniveau im Behälter und profitiert bei hohen Preisen vom gespeicherten Luftvolumen. Die Flexibilität des Systems ist begrenzt. Mit zunehmender Behältergröße konvergieren die Kosten der Drucklufterzeugung gegen einen parameterabhängigen Wert des Systems. Außerdem bestimmen die Systemparameter die Lösbarkeit des Optimierungsproblems. Im Vergleich zu den frequenzgeregelten Kompressoren sind die binärgeregelten Kompressoren nur unter modifizierten Annahmen einsetzbar, ansonsten kann das Optimierungsproblem nicht gelöst werden.
Im Rahmen dieser Masterarbeit soll ein Radträger für ein Leichtbaufahrzeug entwickelt werden. Dieser soll ein niedriges Gewicht sowie eine hohe Steifigkeit aufweisen und fertigbar sein.
Dabei wird über einen iterativen Prozess aus Simulation, Topologieoptimierung und Neukonstruktion ein neues Radträgerdesign entwickelt.
Zu Beginn der Arbeit wird auf die wissenschaftlichen Grundlagen eingegangen. Dabei spielen vor allem das Thema Leichtbau sowie die finite Elemente Methode eine Rolle. Es wird auf Prinzipien der Konstruktion eingegangen, um das Bauteil fertigungsgerecht und auch effizient zu gestalten.
Im nächsten Kapitel wird der aktuelle Stand der Technik genauer untersucht. Hierbei wird der Entwicklungsprozess der aktuellen Radträger-Varianten untersucht und diese mittels FEM nachgerechnet. Zuvor werden noch die für die Simulation benötigten wirkenden Kräfte berechnet und Plausibilitätstests durchgeführt, bei denen Computersimulationen mit realen Messwerten auf deren Richtigkeit überprüft werden.
In den letzten Kapiteln geht es um die Entwicklung des Radträgers. Hier werden einige Konzepte entwickelt und mittels FEM-Simulationen getestet. Durch den Einsatz von Topologieoptimierungen wird versucht, das Gewicht des Radträgers bei gleichbleibender Steifigkeit zu senken.
A Simple and Reliable HPTLC Method for the Quantification of the Intense Sweetener Sucralose®
(2003)
This paper describes a simple and fast thin layer chromatography (TLC) method for the monitoring of the relatively new intense sweetener Sucralose® in various food matrices. The method requires little or no sample preparation to isolate or concentrate the analyte. The Sucralose® extract is separated on amino‐TLC‐plates, and the analyte is derivatized “reagent‐free” by heating the developed plate for 20 min at 190°C. Spots can be measured either in the absorption or fluorescence mode. The method allows the determination of Sucralose® at the levels of interest regarding foreseen European legislation (>50 mg/kg) with excellent repeatability (RSD = 3.4%) and recovery data (95%).