Refine
Year of publication
Document Type
- Bachelor Thesis (53)
- Conference Proceeding (52)
- Article (reviewed) (30)
- Part of a Book (27)
- Master's Thesis (20)
- Article (unreviewed) (14)
- Book (10)
- Contribution to a Periodical (3)
- Report (2)
Conference Type
- Konferenzartikel (39)
- Konferenz-Abstract (4)
- Konferenz-Poster (4)
- Konferenzband (4)
- Sonstiges (1)
Keywords
- Biomechanik (12)
- Wärmepumpe (6)
- Konstruktion (4)
- Kühldecke (4)
- Pflanzenkohle (4)
- Raumklima (4)
- TRIZ (4)
- Biomasse (3)
- Diode-array detection (3)
- Elektromotor (3)
Institute
- Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik (M+V) (211) (remove)
Open Access
- Closed (211) (remove)
In this paper, the influence of the material hardening behavior on plasticity-induced fatigue crack closure is investigated for strain-controlled loading and fully plastic, large-scale yielding conditions by means of the finite element method. The strain amplitude and the strain ratio are varied for given Ramberg–Osgood material properties representing materials with different hardening behavior. The results show a pronounced influence of the hardening behavior on crack closure, while no significant effect is found from the considered strain amplitude and strain ratio. The effect of the hardening behavior on the crack opening stress cannot be described by existing crack opening stress equations.
Given the looming threats of climate change and the rapid worldwide urbanization, it is a necessity to prioritize the transition towards a carbon-free built environment. This research study provides a holistic digital methodology for parametric design of urban residential buildings with regard to the Mediterranean semi-arid climate zone of Morocco in the early design phase. The morphological parameters of the urban residential buildings, namely the buildings’ typology, the distance between buildings, the urban grid’s orientation, and the window-towall ratio, are evaluated in order to identify the key combinations of passive and active solar design strategies that determine the high energy performing configurations, based on the introduced Energy Performance Index (EPI), which is the ratio between solar BIPV production to maximum available installed BIPV capacity and the normalized thermal energy needs. Through an automated processing of 2187 iterations via Grasshopper, we simulate daylight autonomy, indoor thermal comfort and solar rooftop photovoltaic and building integrated photovoltaic (BIPV) energy potential. Then, we analyze the conflicting objectives of energy efficiency measures, active solar design strategies, and indoor visual comfort in the decision-making process that supports our goal of getting closer to net zero urban residential buildings. The digital workflow showed interesting trends in reaching a balanced equilibrium between performance metrics influenced by the contrasting impact of solar exposure on indoor daylight autonomy and thermal energy demand. Furthermore, the study’s findings indicate that it is possible to achieve an annual load match exceeding 66,56 % while simultaneously ensuring an acceptable visual indoor comfort (sDA higher than 0.4). The findings also highlight the important role of the BIPV system in shifting towards the net zero energy goal, by contributing up to 30 % of the overall solar energy output and covering up to 20 % of the yearly self-consumption. Moreover, the energy balance evaluation on an hourly basis indicates that BIPV system notably enhances the daily load cover factor by up to 5.5 %, particularly in the case of slab SN typology, throughout the different seasons. Graphical representations of the yearly, monthly and hourly load matches and the hourly energy balance of the best performing configurations provide a thorough understanding of the potential evolution of the urban energy system over time as a result of the gradual integration of active solar electricity production.
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.
Linear acceleration is a key performance determinant and major training component of many sports. Although extensive research about lower limb kinetics and kinematics is available, consistent definitions of distinctive key body positions, the underlying mechanisms and their related movement strategies are lacking. The aim of this ‘Method and Theoretical Perspective’ article is to introduce a conceptual framework which classifies the sagittal plane ‘shin roll’ motion during accelerated sprinting. By emphasising the importance of the shin segment’s orientation in space, four distinctive key positions are presented (‘shin block’, ‘touchdown’, ‘heel lock’ and ‘propulsion pose’), which are linked by a progressive ‘shin roll’ motion during swing-stance transition. The shin’s downward tilt is driven by three different movement strategies (‘shin alignment’, ‘horizontal ankle rocker’ and ‘shin drop’). The tilt’s optimal amount and timing will contribute to a mechanically efficient acceleration via timely staggered proximal-to-distal power output. Empirical data obtained from athletes of different performance levels and sporting backgrounds are required to verify the feasibility of this concept. The framework presented here should facilitate future biomechanical analyses and may enable coaches and practitioners to develop specific training programs and feedback strategies to provide athletes with a more efficient acceleration technique.
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.
Am 1. Juli 2022 trafen sich im Rahmen des Abschlusskolloquiums des Projekts ACA-Modes rund 60 Teilnehmende aus Forschung, Lehre und Industrie zu einer internationalen Konferenz an der Hochschule Offenburg. Hier wurden die Projektergebnisse rund um die erfolgreiche Implementierung modellprädiktiver Regelstrategien vorgestellt, aktuelle Fragestellungen diskutiert und Entwicklungspfade hin zu einem netzdienlichen Betrieb von Energieverbundsystemen skizziert.
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.
Running footwear is continuously being modified and improved; however, running-related overuse injury rates remain high. Nevertheless, novel manufacturing processes enable the production of individualized running shoes that can fit the individual needs of runners, with the potential to reduce injury risk. For this reason, it is essential to investigate functional groups of runners, a collective of runners who respond similarly to a footwear intervention. Therefore, the objective of this study was to develop a framework to identify functional groups based on their individual footwear response regarding injury-specific running-related risk factors for Achilles tendinopathy, Tibial stress fractures, Medial tibial stress syndrome, and Patellofemoral pain syndrome. In this work, we quantified the footwear response patterns of 73 female and male participants when running in three different footwear conditions using unsupervised learning (k-means clustering). For each functional group, we identified the footwear conditions minimizing the injury-specific risk factors. We described differences in the functional groups regarding their running style, anthropometric, footwear perception, and demographics. The results implied that most functional groups showed a tendency for a single footwear condition to reduce most biomechanical risk factors for a specific overuse injury. Functional groups often differed in their hip and pelvis kinematics as well as their subjective rating of the footwear conditions. The footwear intervention only partially affected biomechanical risk factors attributed to more proximal joints. Due to its adaptive nature, the framework could be applied to other footwear interventions or performance-related biomechanical variables.
The authors present an abiotically catalyzed glucose fuel cell and demonstrate its application as energy harvesting power source for a cardiac pacemaker. This is enabled by an optimized DC-DC converter operating at 40 % conversion efficiency, which surpasses commercial low-power DC-DC converters. The required fuel cell surface area can thus be reduced from about 125 cm2 to 18 cm2, which would allow for its direct integration onto the pacemaker casing.
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.
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.
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.
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.
Asynchronmaschinen mit Kaefiglaeufer benoetigen waehrend ihres Hochlaufs das 3- bis 8fache des Bemessungsstroms. Dieser hohe Anlaufstrom geht erst zurueck, wenn der Kippschlupf erreicht ist (bei etwa 90% der Bemessungsdrehzahl). Wenn die Kurzschlussleistung des einspeisenden Netzes zum Zeitpunkt der Motorzuschaltung gering ist, koennen durch Spannungseinbrueche Anlaufprobleme einer Kaefiglaeufermaschine auftreten. Bei der Planung eines solchen Antriebs muessen deshalb genauere Simulationsrechnungen ueber die Zusammenhaenge von Hochlaufzeit, Spannungseinbruch und zulaessigen Grenzwerten durchgefuehrt werden. Ergebnisse derartiger Anlaufsimulationen eines 800-kW- und eines 1,13-MW-Hochspannungsmotors bei Anschaltung an einen 10-MVA- und einen 2-MVA-Generator wurden fuer verschiedene Zuschaltungssituationen in Oszillogrammen festgehalten. Durch genauere mathematische Angaben verdeutlicht werden die Faelle des Motorhochlaufs bei Inselbetrieb mit geringer Kurzschlussleistung sowie die Zuschaltung der Asynchronmotoren auf den Generator vor und nach Anhebung der Netzspannung behandelt. Angaben werden ferner gemacht zur Zuschaltung des 1,13-MW-Motors auf die Parallelschaltung des 10-MVA- und des 2-MVA-Generators. Aus den Simulationsoszillogrammen der Faelle von Hochlauf und Motorzuschaltung sind die zeitabhaengigen Aenderungen von Ankerstrom, Wirkleistungsaufnahme, Blindleistungsaufnahme, Klemmenspannung, Drehzahlabweichung, Antriebsmoment und Lastdrehmoment zu entnehmen.
Bei thermischen Konvektionsströmungen ist der Einfluß von Geometrie und Randbedingungen für die Strömungsform und den konvektiven Wärmetransport von wesentlicher Bedeutung. Mit Hilfe der optischen Strömungsmeßtechnik (Differentialinterferometrie) wurde die freie Konvektion in einem quaderförmigen Behälter mit seitlicher Beheizung untersucht. Der Aufbau und die Experimente werden beschrieben. Die quantitative Auswertung von Dichte- und Temperaturfeldern aus den Differentialinterferogrammen wird aufgezeigt und der Einfluß unterschiedlicher Randbedingungen wie feste und freie Oberfläche auf die Strömungsform und den Wärmetransport dargelegt. Die eingesetzte Differentialinterferometrie zeigt aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Versuchsbedingungen und durch den einfachen Aufbau spezifische Vorteile gegenüber dem Mach-Zehnder Interferometer.
Today, thermoforming moulds are mostly produced using conventional mould-building technologies (e.g. milling and drilling) and are made of metal (e.g. aluminium or steel) or hardwood. The tools thus produced are very robust, but are only cost-effective in mass production. For the production of small batches of thermoformed parts, there is a need for moulds which can be produced quickly and economically. A new approach which significantly reduces the production time and cost is the 3D printing process (3DP). The use of this technology to produce thermoforming moulds offers many new options in the geometries which can be manufactured, and in manufacturing time and costs. In a case study of a thermoformed part (a scaled automotive model), the pre-processing of the CAD model of a mould is demonstrated. The mould can be printed within a few hours, and is sufficiently heat-resistant for moulding processes. The important advantages of moulds printed in 3D, in comparison to moulds built using conventional technologies, are the ability to create any shape of channels for the vacuum and the simplification in the production of tool mock-ups. This paper also discusses the economics of the technique, such as a comparison of material costs and manufacturing costs in relation to conventional production technologies and materials.
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.
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.
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.
To improve the building’s energy efficiency many parameters should be assessed considering the building envelope, energy loads, occupation, and HVAC systems. Fenestration is among the most important variables impacting residential building indoor temperatures. So, it is crucial to use the most optimal energy-efficient window glazing in buildings to reduce energy consumption and at the same time provide visual daylight comfort and thermal comfort. Many studies have focused on the improvement of building energy efficiency focusing on the building envelope or the heating, ventilation, and cooling systems. But just a few studies have focused on studying the effect of glazing on building energy consumption. Thus, this paper aims to study the influence of different glazing types on the building’s heating and cooling energy consumption. A real case study building located under a semi-arid climate was used. The building energy model has been conducted using the OpenStudio simulation engine. Building indoor temperature was calibrated using ASHRAE’s statistical indices. Then a comparative analysis was conducted using seven different types of windows including single, double, and triple glazing filled with air and argon. Tripleglazed and double-glazed windows with argon space offer 37% and 32% of annual energy savings. It should be stressed that the methodology developed in this paper could be useful for further studies to improve building energy efficiency using optimal window glazing.
Die vorliegende Arbeit, welche im Rahmen des Forschungsprojektes LaDiVo an der Hochschule Offenburg angefertigt wurde, beschäftigt sich mit Aushärten keramischer Farben auf Einscheiben- und Verbundsicherheitsglas mittels eines CO2-Lasers. Zur Erreichung dieses Ziels soll experimentell ein Verfahren erarbeitet werden.
Nach einer ausführlichen Analyse des Stands der Technik und einer Klärung des zur Verfügung stehenden Versuchsaufbaus werden verschiedene Versuche in einer Planungsphase konzeptioniert. Dazu gehören, neben den reinen Aushärteversuchen mittels Laser, ebenso eine mikroskopische Untersuchung der Ergebnisse mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskop als auch der Aufbau einer Simulation zur qualitativen Validierung der Versuchsergebnisse.
Durch die Versuche zeigt sich, dass es möglich ist, keramische Farbe auf Einscheibensicherheitsglas mittels Laser auszuhärten, ohne dass es zu einer Schädigung des Glases kommt. Die mikroskopische Untersuchung unterstützt dieses Ergebnis. Beim Verbundsicherheitsglas konnte kein Verfahren zur schädigungsfreien Aushärtung der keramischen Farbe erarbeitet werden.
Der Bericht beschreibt die Vorgehensweise für die Entwicklung von Hochleistungszweitaktmotoren beim Institut für Transportwesen und Motorentechnik (ITM). Die gezielte Auswertung von motorischen Daten bietet die Möglichkeit, Motorenentwicklungsprozesse in wichtigen Fragestellung zu unterstützen. Für die Auslegung von Bauteilen und Prozessen werden Simulationsprogramme eingesetzt. Diese Entwicklungswerkzeuge können effizienter angewandt werden, wenn die Berechnungsergebnisse einer Qualitätskontrolle unterliegen. Wichtig hierfür sind Bewertungskriterien, die aus der Erfahrung einer Vielzahl von Versuchen bestehen. Da in Produktion gegangene Motoren üblicherweise schon einen Evolutionsprozeß durchlaufen haben, kann vermutet werden, daß solche Kriterien von erfolgreichen und weniger erfolgreichen Produkten in der Weise abgeleitet werden können, wie dies hier vorgestellt wurde. Die Angabe von Trendfunktionen für konstruktive Merkmale und Betriebsparameter ist notwendig um eine bedarfsorientierte Vorauslegung von Antrieben durchführen zu können. Alle hier vorgestellten Ergebnisse sind natürlich von der Datenmenge abhängig, die zu den jeweiligen Fragestellungen ausgewertet werden kann. Dazu müssen alle durchgeführten Versuchsreihen in die Datenbank eingeführt und mit Ergebnissen der Simulationsrechnungen in Beziehung gesetzt werden.
Automation devices or automation stations (AS) take on the task of controlling, regulating, monitoring and, if necessary, optimising building systems and their system components (e.g. pumps, compressors, fans) based on recorded process variables. For this purpose, a wide range of control and regulation methods are used, starting with simple on/off controllers, through classic PID controllers, to higher-order controllers such as adaptive, model-predictive, knowledge-based or adaptive controllers.
Starting with a brief introduction to automation technology (Sect. 7.1), the chapter goes into the structure and functionality of the usual compact controllers using the application examples of solar thermal systems and heat pump systems (Sect. 7.2). Finally, the integration of system automation into a higher-level building automation system and into the building management system is described using specific application examples (Sect. 7.3).
This central book chapter now details the implementation of automation of solar domestic hot water systems, solar assisted building heating, rooms, solar cooling systems, heat pump heating systems, geothermal systems and thermally activated building component systems. Hydraulic and automation diagrams are used to explain how the automation of these systems works. A detailed insight into the engineering and technical interrelationships involved in the use of these systems, as well as the use of simulation tools, enables effective control and regulation. System characteristic curves and systematic procedures support the automation engineer in his tasks.
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.
Im Leistungssport können Verletzungen den weiteren Karriereverlauf einer Athletin stark beeinflussen. Eine umso größere Rolle spielt daher der Rehabilitationsprozess. Diese Arbeit befasst sich mit den Kraftfähigkeiten des M. triceps surae nach einer Achillessehnenrekonstruktion im Bereich des Leistungsturnens. Die Quantifizierung der Kraftfähigkeiten erfolgt mit Hilfe von isokinetischen Krafttests. Dazu werden auf beiden Seiten einmal wöchentlich 2 x 3 Wiederholungen bei einer Testgeschwindigkeit von 30 deg/s durchgeführt. Die Messungen überspannen einen Zeitraum von 10 Wochen und beginnen 6 Monate postoperativ. Die Datenauswertung erfolgt mit MATLAB. Auf der unverletzten Seite werden keine oder nur geringfügige Änderungen in den Kraftfähigkeiten erwartet. Auf der verletzten Seite hingegen wird ein deutlicher Anstieg in den Kraftfähigkeiten erwartet. Die Kraftfähigkeiten werden über das maximale Drehmoment, den Drehmomentkraftstoß und die Kraftanstiegsrate (rate of force development = RFD) festgestellt. Werden die Messwerte aus der ersten und der letzten Messung verglichen, zeigen die Ergebnisse ein anderes Bild auf. Die Messwerte für die unbetroffenen Seite steigen um 17,1 % für das Drehmoment, um 17,2 % für den Drehmomentkraftstoß und um 20,4 % für die RFD. Auf der betroffenen Seite steigen die Werte respektive um 19,1 %, 15,2 % und 59,3 %. Es liegt also lediglich für die RFD ein deutlicher Anstieg im Vergleich zur unbetroffenen Seite vor. Ein anderes Ergebnis zeigt sich, wenn die Messwerte der ersten und der vorletzten Messung verglichen werden. Die Werte der unverletzten Seite steigen um 19,2 %, 19,6 % und 35,4 %. Auf der verletzten Seite hingegen, ist eine Steigerung von 32,6 %, 31,7 % und 102,2 % zu sehen. Somit liegt ein deutlicher Anstieg in dem Kraftfähigkeiten der verletzten Seite, auch in Bezug unverletzte Seite, vor. Ob es sich bei der letzten Messung um einen Ausreißer auf der betroffenen Seite handelt, lässt sich durch fehlende Folgemessungen nicht bestimmen.
Für eine fundiertere Aussage sollte ein längerer Zeitraum betrachtet werden. Aufgrund der zeitlichen Begrenzung für die Erstellung dieser Arbeit ist das leider nicht möglich.
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.
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.
As society continues to age, the implementation of hip stems increases every year. However, there are a variety of different hip stem designs.
The aim of this project is to analyze which hip stem design implemented in a femur is most effective under different static loading conditions such as gait and sideways falling. In addition, a four-point-bending test was carried out. Therefore, the tech-niques were simulated in silico by FEA with Abaqus/CAE 2019.
A short stem, a straight stem and an anatomical stem were tested. All prosthesis are cementless press-fit stems. Each hip stem was examined in physiological and osteoporotic bone applying all three tests. To compare the stems the tests were also applied on a native bone model as a reference. Boundary conditions were used in order to simulate the tests.
The average von Mises stress, tension, compression and the risk of fracture were extracted and compared.
Biomechanical results show that the straight stem induces higher von Mises stresses compared to the anatomical stem. The risk of fracture is higher for osteo-porotic bone than for physiological bone. However, there is no risk of fracture as all the results are below the risk of value.
Einleitung: Nach einer Verletzung oder Operation ist die Rehabilitation und das eigenständige Training entscheidend für die Wiederherstellung der Funktion und Unabhängigkeit. Für eine höhere Trainingsadhärenz wurde der auf Inertialsensoren basierende digitale Trainingsassistent re.flex (Kineto Tech Rehab SRL, Bukarest, Rumänien) entwickelt, der Gelenkwinkel messen und visuell darstellen kann. Eine Smartphone App dient als Therapieanleitung. Durch die Kombination des re.flexSystems mit einer Knieorthese, wurde die Genudyn® OA smart (Sporlastic GmbH, Nürtingen, Deutschland) entwickelt, ein digitales Behandlungskonzept bei Gonarthrose. Damit haben Patient:innen die Möglichkeit eigenständig ein 12-wöchiges individuelles Trainingsprogramm mit integriertem Echtzeit-Biofeedback zu absolvieren. In der vorliegenden Arbeit soll die Messgenauigkeit des re.flexSystems evaluiert und mögliche Einflussgrößen erfasst werden.
Methoden: Die Messergebnisse des re.flex-Systems wurden mit einem 3D MotionCapture-System von Vicon (Vicon, Oxford, England) als Referenz verglichen. In vier Durchgängen wurden jeweils fünf therapeutische Übungen durchgeführt, bei denen Knie- und Hüftwinkel gemessen wurden. Für die Erfassung möglicher Einflussgrößen wurden Messungen nur mit den Sensoren am Bein, mit Knieorthese, mit 1cm und 3cm senkrechter Verschiebung eines Sensors durchgeführt und kleinere mit größeren Oberschenkelumfängen verglichen. Für die statistische Analyse wurde der RMSE und ICC berechnet und Bland-Altman-Plots erstellt.
Ergebnisse: Der ICC aus der ROM lieferte Werte von 0,26 - 0,82, aus den Maxima 0,01 – 0,82. Der RMSE reichte von 6,53° - 15,39°. Kniewinkel und Hüftflexion lieferten die besten Ergebnisse, Hüftabduktion mittelmäßige und Hüftextension die schlechtesten. Die Bland-Altman-Plots zeigten wenige Ausreißer. Die Knieorthese und das Weichteilgewebe zeigten einen negativen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Die Verschiebung des Sensors hatte keinen Einfluss.
Schlussfolgerung: Da besonders die Kniegelenkwinkelmessungen, auf denen der Fokus für das Behandlungskonzept bei Kniearthrose liegt, hohe Genauigkeiten erzielten, konnte der digitale Trainingsassistent re.flex in der vorliegenden Arbeit als Therapiehilfsmittel überzeugen.
Die thermischen Wirkungsgrade von Kraftwerken zur Stromerzeugung sind relativ gering. Beispielsweise erreichen moderne Kohlekraftwerke heute bis etwa 45 %, Gasturbinen maximal 40 % sowie Diesel-und Gas-Motoren bis ca. 50 %. Kombinations-Kraftwerke, d. h. Gas- und Dampfturbinen-Prozesse, können über 60 % thermischen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der zugeführten Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie erzielen. Ein ähnlich hoher Wert wird in Zukunft von den Brennstoffzellen erwartet. Der nicht in Arbeit umgewandelte Anteil der zugeführten Wärme fällt als Abwärme an und geht ungenutzt in die Umgebung. Ein Teil dieser Abwärme lässt sich durch entsprechende Installationen bei allen Kraftwerksprozessen zur Wassererwärmung oder zur Dampferzeugung für industrielle Zwecke nutzen. Für Heiz- und Prozesswärme genügt eine Temperatur der Abwärme von 60 bis 80 °C, während die Erzeugung von Industriedampf deutlich höhere Temperaturen voraussetzt.
Bud type carbon nanohorns (CNHs) are composed of carbon and have a closed conical tip at one end protruding from an aggregate structure. By employing a simple oxidation process in CO2 atmosphere, it is possible to open the CNH tips which increases their specific surface area by four fold. These tip opened CNHs combine the microporous nature of activated carbons and the crystalline mesoporous character of carbon nanotubes. The results for the high pressure CO2 gas adsorption of tip opened CNHs are reported herein for the first time and are found to be superior to traditional CO2 adsorbents like zeolites. The modified CNHs are also found to be promising materials for lithium ion batteries and the performance is found to be on a par with carbon nanotubes and carbon nanofibers.
Research is often conducted to investigate footwear mechanical properties and their effects on running biomechanics, but little is known about their influence on runner satisfaction, or how well the shoe is perceived. A tool to predict runner satisfaction in a shoe from its mechanical properties would be advantageous for footwear companies. Data in this study were from a database (n = 615 subject-shoe pairings) of satisfaction ratings (gathered after participants ran on a treadmill), and mechanical testing data for 87 unique subjects across 61 unique shoes. Random forest and elastic net logistic regression models were built to test if footwear mechanical properties and subject characteristics could predict runner satisfaction in 3 ways: degree-of-satisfaction on a 7-point Likert scale, overall satisfaction on a 3-point Likert scale, and willingness-to-purchase the shoe (yes/no response). Data were divided into training and validation sets, using an 80–20 split, to build the models and test their accuracy, respectively. Model accuracies were compared against the no-information rate (i.e. proportion of data belonging to the largest class). The models were not able to predict degree-of-satisfaction or overall satisfaction from footwear mechanical properties but could predict runner’s willingness to purchase with 68–75% accuracy. Midsole Gmax at the heel and forefoot appeared in the top five of variable importance rankings across both willingness-to-purchase models, suggesting its role as a major factor in purchase decisions. The negative regression coefficient for both heel and forefoot Gmax indicated that softer midsoles increase the likelihood of a shoe purchase. Future models to predict satisfaction may improve accuracy with the addition of more subject-specific parameters, such as running goals or foot proportions.
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.
Kleine Anlagen zur dezentralen Strom- und Waermeerzeugung (Block(heiz)kraftwerke) gewinnen auf Grund ihrer vielfaeltigen Einsatzmoeglichkeiten zunehmend an Bedeutung. Die CO2-Bilanz mit Deponiegas bzw. Erdgas betriebenen Blockkraft- und Block(heiz)kraftwerken wird gegenuebergestellt. Es zeigt sich, dass durch den Einsatz von Deponie-Blockkraftwerken bzw. von Blockheizkraftwerken CO2-Einsparungen von ueber 100 kg CO2/MWh im Vergleich zur getrennten Waerme- und Stromerzeugung erzielt werden koennen.
The interest of scientists to study motion sequences exists in the fields of sports science, clinical analysis and computer animation for quite some time. While in the last decades mainly markerbased motion capture systems have been used to evaluate movements, the interest in markerless systems is growing more and more. Nevertheless, in the field of clinical analysis, markerless methods have not yet proven their value, partly due to a lack of studies evaluating the quality of the obtained data. Therefore, this study aims to validate two markerless motion capture softwares from Simi Reality Motion Systems. The software Simi Shape, which is a mixture of traditional image-based tracking supported by an artificial intelligence net (AI net), and the software Crush, that uses a completely AI-based method. For this purpose, all motion data was recorded with two in-house motion capture systems. One system for recording the movements for a markerbased evaluation as gold standard and one system for markerless tracking. Within a laboratory environment, eight cameras per system were mounted around the area of motion. By placing two cameras in the same position and using the same calibration, deviations in the image data between those for markerbased and markerless tracking were extremely minimal. Based on this data, markerbased tracking was performed using the Simi Motion program, markerless tracking was performed using the Simi Shape software system and the latest software from Simi Reality Motion Systems, Crush. When comparing the markerless data with the markerbased data, an average root mean square error of 0,038 m was calculated for Simi Shape and a deviation of 0,037 m for Crush. In a direct comparison of the two markerless systems, a root mean square error of 0,019 m was scored. Based on these data, conclusions could be drawn about the accuracies of the two markerless systems. The obtained kinematic data of the tracking are in the range of high accuracy, which is limited to a deviation of less than 0,05 m according to the literature.
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: Biochar as a Carbon Capture Technology
(2022)
The energy system is changing since some years in order to achieve the climate goals from the Paris Agreement which wants to prevent an increase of the global temperature above 2 °C. Decarbonisation of the energy system has become for governments a big challenge and different strategies are being stablished. Germany has set greenhouse gas reduction limits for different years and keeps track of the improvement made yearly. The expansion of renewable energy systems (RES) together with decarbonisation technologies are a key factor to accomplish this objective.
This research is done to analyse the effect of introducing biochar, a decarbonisation technology, and study how it will affect the energy system. Pyrolysis is the process from which biochar is obtained and it is modelled in an open-source energy system model. A sensibility analysis is made in order to assess the effect of changing the biomass potential and the costs for pyrolysis.
The role of pyrolysis is analysed in the form of different future scenarios to evaluate the impact. The CO2 emission limits from the years 2030 and 2045 are considered to create the scenarios, as well as the integration of flexibility technologies. Four scenarios in total are assessed and the result from the sensibility analysis considering pyrolysis are always compared to the reference scenario, where pyrolysis is not considered.
Results show that pyrolysis has a bigger impact in the energy system when the CO2 limit is low. Biochar can be used to compensate the emissions from other conventional power plant and achieve an energy transition with lower costs. Furthermore, it was also found that pyrolysis can also reduce the need of flexibility. This study also shows that the biomass potential and the pyrolysis costs can affect a lot the behaviour of pyrolysis in the energy system.
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.
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 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.
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.
Rising societies’ demands require more sustainable products and technologies. Although numerous methods and tools have been developed in the last decades to support environmental-friendly product and process development, an interdisciplinary knowledge base of eco-innovative examples linked to the eco-innovative problems and solution principles is lacking. The paper proposes an ontology of examples for eco-friendly products and technologies assigned to the Inventive Principles (IPs) of the TRIZ methodology in accordance with the German TRIZ Standard VDI 4521. The examples of sustainable technologies and products build a database for sharing and reusing eco-innovation knowledge. The ontology acts as a tool for systematic solving of specific environmental problems in typical life cycle phases, for different environmental impact categories and engineering domains. Finally, the paper defines a future research agenda in the field of the TRIZ-based systematic eco-innovation.
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.
Nativ-organische Abfälle bilden mit ca. 30 Gew. % den Hauptteil des Hausmülls. Daher leistet die Bioabfallkompostierung einen bedeutenden Schritt hin zu einer sinnvollen Abfallverwertung. Bundesweit werden derzeit jährlich etwa 750 000 t Bioabfallkompost erzeugt. Mit Ausnahme von sieben Land- und Stadtkreisen planen die Landkreise Baden-Württembergs die getrennte Sammlung von Bioabfällen: Einwohner von 23 Landkreisen waren 1993, zum Teil versuchsweise, an Biotonnen angeschlossen. Die Notwendigkeit der Bioabfallkompostierung scheint außer Frage zu stehen, intensiv erörtert werden jedoch die Verfahrenskonzepte, die der Bioabfallkompostierung zugrunde liegen. Kern der Diskussion ist, ob einfache Kompostierungsverfahren wie die dezentrale Kompostierung den technisch aufwendigeren Verfahren zentraler Anlagen gleichwertig sind.
Als erster Landkreis in Baden Württemberg hat der Landkreis Sigmaringen bei der Entsorgung des bei 120 000 Einwohnern im Kreis anfallenden organischen Abfalls neue Wege beschritten und die Landwirtschaft in den Stoffkreislauf miteinbezogen, anstatt das anfallende Material zu deponieren. Auf dem Hintergrund der TA-Siedlungsabfall, die vorschreibt, daß nach einer Übergangszeit organische Abfälle nicht mehr deponiert werden dürfen, sondern kompostiert oder thermisch behandelt werden müssen, hat der Landkreis Sigmaringen im Jahr 1992 ein Konzept zur dezentralen Kompostierung verabschiedet.
Eco-Feasibility Study and Application of Natural Inventive Principles in Chemical Engineering Design
(2022)
The early stages of the front-end process development are critical for the future success of projects involving new technologies. The application of eco-inventive principles identified in natural systems to the design of chemical processes and equipment allows one to find ways to mitigate or avoid secondary ecological problems such as, for example, higher consumption of raw materials or energy, generation of hazardous waste and pollution of the environment by toxic chemicals. However, before implementing a new technology in a real operational environment, it is necessary to completely investigate its undesirable ecological impact and to evaluate the future viability of this technology. Therefore, the research paper presents a study of ecological feasibility of an innovative process design utilising natural eco-inventive principles and analyses the correlations between applied inventive principles. Such eco-feasibility study can be considered as an important decision gate to determine whether the technology implementation should be moved forward. Furthermore, the study evaluates the practicability of natural inventive principles to the eco-friendly process design and is illustrated with an example of a sustainable technology for nickel extraction from pyrophyllite.
Micronization of biochar (BC) may ease its application in agriculture. For example, fine biochar powders can be applied as suspensions via drip-irrigation systems or can be used to produce grnulated fertilizers. However, micronization may effect important physical biochar properties like the water holding capacity (WHC) or the porosity.