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As the population grows, so does the amount of biowaste. As demand for energy grows, biogas is a promising solution to the problem. Lignocellulosic materials are challenged of slow degradability due to the presence of polymers such as cellulose, lignin and hemicellulose. There are several pretreatment methods available to enhance the degradability of such materials, including enzymatic pretreatment. In this pretreatment, there are few parameters that can influence the results, the most important being the enzyme to solid ratio and the solid to liquid ratio. During this project, experiments were conducted to determine the optimal conditions for those two factors. It was discovered that a solid to liquid ratio of 31 g of buffer per 1 gram of organic dry matter produced the highest reducing sugar release in flasks when combined with 34 mg of protein per 1 gram of organic dry mass. Additionally, another experiment was carried out to investigate the impact of enzymatic pretreatment on biogas production using artificial biowaste as a substrate. Artificial biowaste produced 577,9 NL/kg oDM, while enzymatically pretreated biowaste produced 639,3 NL/kg oDM. This resulted in a 10,6% rise in cumulative biogas production compared to its use without enzymatic pretreatment. By the conclusion of the investigation, specific cumulative dry methane yields of 364,7 NL/kg oDM and 426,3 NL/kg oDM were obtained from artificial biowaste without and with enzymatic pretreatment, respectively. This resulted in a methane production boost of 16,9%. Additionally in case of the reactors with enzymatically pretreated substrate kinetic constant was lower more than double, where maximum volume of biogas increased, comparing to the reactors without enzymatic pretreatment.
In dieser Arbeit werden Untersuchungen an einem neuartigen Sensorkonzept zur Erfassung von Winkelbeschleunigungen durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war es, die Möglichkeit, eine Miniaturisierung des Prototyps zu untersuchen. Hierfür wurde eine analytische und experimentelle Untersuchung durchgeführt. Für die analytische Betrachtung erfolgte eine Fehlerfortpflanzung nach Gauß, welche die Fertigungstoleranzen, Dimensionsfehler des Accelerometers, Rauschen und Messabweichungen von Accelerometer und Gyroskop berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung der hochwertigen Inertial Measurment Units (IMUs) eine theoretische Verkleinerung bis auf 21mm eine höhere Genauigkeit bietet als die numerischen Differentiationen der Winkelgeschwindigkeit.
Für die Verifizierung unter realen Bedingungen wurden verschiedene Prüfkonzepte verglichen.
Dabei erwies sich ein Pendelprüfstand als vielversprechender Ansatz. Durch die Verwendung von Kugellagern kann ein breites Spektrum an Winkelbeschleunigungen abgebildet werden. Die kontinuierliche Erfassung reflektierender Marker auf der Pendelstange ermöglicht die Ermittlung der Winkel, die als Grundlage für ein Modell dienen, wodurch sich reale Winkelbeschleunigungen mit den Messdaten des Sensors vergleichen lassen. Dabei stellt die Modellierung der Verlustterme eine zukünftige Herausforderung dar.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Miniaturisierung des Sensorprototyps möglich ist und das der Pendelprüfstand eine Methode zur Verifizierung darstellt. Dies trägt dazu bei, die Anwendungsmöglichkeiten des Sensorkonzepts in der Praxis zu erweitern.
One of the main problematics of the seals tests is the time and money consuming they are. Up to now, there are few tries to do a digitalisation of a test where the seals behaviour can be known.
This work aims to digitally reproduce a seal test to extract their behaviour when working under different operation conditions to see their impact on the pimp’s efficiency. In this thesis, due to the Lomaking effect, the leakage and the forces applied on the stator will be the base of analysis.
First of all, among all the literature available for very different kind of seals and inner patterns, it has been chosen the most appropriate and precise data. The data chosen is “Test results for liquid Damper Seals using a Round-Hole Roughness Pattern for the Stator” from Fayolle, P. and “Static and Rotordynamic Characteristics of Liquid Annular Seals with Circumferentially/Grooved Stator and Smooth Rotor using three levels of circumferential Inlet-Fluid” from Torres J.M.
From the literature, dimensions of the test rig and the seals will be extracted to model them into a 3D CAD software. With the 3D CAD digitalisation, the fluid volumes for a rotor-centred position, meaning without eccentricity, will be extracted, and used. The following components have been modelled:
- Smooth Annular Liquid Seal (Grooved Rotor)
- Grooved Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Round-Hole Pattern Annular Liquid Seal (𝐻𝑑=2 𝑚𝑚) (Smooth Rotor)
- Straight Honeycomb Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Convergent Honeycomb Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Smooth Rotor / Smooth Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
As there is just one test rig, all the components have been adapted to the different dimensions of the seals by referencing some measures. This allows to test any seal with the same test rig.
Afterwards a CFD simulation that will be used to obtain leakage and stator forces. The parameters that will be changed are the rotational velocity of the fluid (2000 rpm, 4000 rpm, and 6000 rpm) and the pressure drop (2,068 bar, 4,137 bar, 6,205 bar, and 8,274 bar).
Those results will be compared to the literature ones, and they will determine if digitalisation can be validated or not. Even though the relative error is higher than 5% but the tendency is the same and it is thought that by changing some parameters the test results can be even closer to the literature ones.
To date, many experiments have been performed to study how the internal geometrical shapes of the annular liquid seal can reduce internal leakage and increase pump efficiency. These can be time-consuming and expensive as all rotordynamic coefficients must be determined in each case.
Nowadays, accurate simulation methods to calculate rotordynamic coefficients of annular seals are still rare. Therefore, new numerical methods must be designed and validated for annular seals.
The present study aims to contribute to this labour by providing a summary of the available test rig and seals dimensions and experimental results obtained in the following experiments:
− Kaneko, S et al., Experimental Study on Static and Dynamic Characteristics of Liquid Annular Convergent-Tapered Seals with Honeycomb Roughness Pattern (2003) [1] − J. Alex Moreland, Influence of pre-swirl and eccentricity in smooth stator/grooved rotor liquid annular seals, static and rotordynamic characteristics (2016) [2]
A 3D CAD simulation with Siemens NX Software of the test rig used in J. Alex Moreland’s experiment has been made. The following annular liquid seals have also been 3D modelled, as well as their fluid volume:
− Smooth Annular Liquid Seal (SS/GR) (J. Alex Moreland experiment)
− Grooved Annular Liquid Seal (GS/SR)
− Round-Hole Pattern Annular Liquid Seal (𝐻𝑑=2 mm) (GS/SR)
− Straight Honeycomb Annular Liquid Seal (GS/SR)
− Convergent Honeycomb Annular Liquid Seal (No. 3) (GS/SR)
− Smooth Annular Liquid Seal (SS/SR) (S. Kaneko experiment)
In the case of the seals used in S. Kaneko’s experiments, the test rig has been adapted to each seal, defining interpart expressions which can be easily modified.
Afterwards, it has been done a CFD simulation of the Smooth Annular Liquid Seal using Ansys CFX Software. To do so, the fluid volume geometry has been simplified to do a first approximation. Results have been compared for an eccentricity 𝜀0=0.00 for the following ranges of rotor speeds and differential of pressure:
− Δ𝑃= 2.07, 4.14, 6.21, and 8.27 bar,
− 𝜔= 2, 4, 6 and 8 krpm.
Even results obtained have the same trend as the one proportionated by the literature, they cannot be validated as the error is above 5%. It is also observed that as the pressure drop increases, the relative error decreases considerably.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Methode zur Messung von Bodenreaktionskräften bei menschlicher Lokomotion auf variablen Untergründen behandelt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, unter realistischen Bedingungen eine Ganganalyse in einem Biomechaniklabor durchführen zu können.
Bisher ist es nicht möglich in einem Biomechaniklabor verschiedene Untergründe nach einer bestimmten Methode auszutauschen, womit Szenarien im Alltag besser simuliert werden können.
Um dieses Ziel zu erreichen wurde ein geeignetes Konzept für die Fertigung der benötigten Bodenplatten und Bodenbeläge erstellt. Darauffolgend wurden die Komponenten angefertigt oder schon vorhandene modelliert. Die Anwendung der entwickelten Methode wurde unter realen Bedingungen einer Ganganalyse erfolgreich untersucht. Hierbei konnten exemplarisch die durchschnittlichen Bodenreaktionskräfte in z-Richtung für die Untergründe Kunstrasen, Kunststoffbahn (Tartanboden) und Steinboden untersucht werden. Das größte Optimierungspotential bei diesem Funktionstest zeigte sich bei der Anpassung der geeigneten An- und Ablaufstrecken mit den jeweiligen Untergründen.
Mit dieser entwickelten Methode können in einem Biomechaniklabor besser die Bedingungen die alltäglich benötigten Ganganpassungen an verschiedene Untergründe simuliert werden. In Kombination mit weiteren Messmethoden, wie die Messung der Muskelaktivität (EMG) und der Gangkinematik, kann so ein tieferes Verständnis des menschlichen Gangbildes gewonnen werden.
Estimation and projecting total steel industry production costs from 2019 to 2030 for Germany
(2023)
This thesis analyses the total production cost of the German steel industry from 2019 to 2022, as well as a projection of the German steel industry's total production cost until 2030. The research separates the costs of steel production into their primary components, such as raw materials, energy, CO2 cost, capital expenses and operating expenses. The cost of steel production is determined separately for primary steelmaking with the blast furnace and basic oxygen furnace (BF-BOF) and secondary steelmaking with the electric arc furnace (EAF).
The analysis indicates that, following the COVID-19 disaster and the fuel crisis, the overall cost of producing steel in Germany has progressively risen over the previous few years, reaching its peak in the first half of 2022. In addition, there are considerable disparities between the production costs of primary and secondary steelmaking processes, with primary steelmaking generally being more expensive.
In this analysis, the total cost of production for the German steel industry in the year 2030 has been estimated by taking into account historical trends as well as other predictions that are currently available.
This thesis provides overall insights on the economics of the German steel sector. By giving thorough information on production costs and changes over time, this research can assist guide crucial future investment decisions in this essential industry. To ensure long-term success, our findings emphasize the significance of investing in more sustainable and ecologically friendly steel production processes.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, zwei unterschiedliche Bewegungserfassungssysteme zu vergleichen. Dabei wird die neue Technologie der markerlosen Bewegungserfassung mit der gängigen markerbasierten Methode verglichen. Es sollen Aspekte wie Aufbau, Vorbereitung, Durchführung, Nachbearbeitung und Messergebnisse analysiert und gegenübergestellt werden.
Im Rahmen einer Querschnittsstudie wurden insgesamt 27 Probanden bei Richtungswechsel mit unterschiedlichen Winkeln in drei verschiedenen Geschwindigkeiten gemessen. Dabei nahmen beide Systeme gleichzeitig in Verbindung mit zwei Kraftmessplatten die Bewegung auf. Von jeder Geschwindigkeit wurden drei gültige Durchläufe aufgezeichnet und anschließend das Knieabduktionsmoment betrachtet. Über das maximale und minimale Knieabduktionsmoment hat für jeden Winkel und Geschwindigkeit ein Vergleich der beiden Systeme stattgefunden.
Aufbau, Vorbereitung und Durchführung des markerlosen Systems erwiesen sich als deutlich einfacher und reibungsloser. Bei dem markerbasierten System ging viel Zeit für die Systemkalibrierung, das Aufkleben von Markern oder das Wiederholen der Messung durch abfallende Marker verloren. Auch die Datennachbearbeitung ist bei dem markerbasierten System deutlich zeitaufwendiger. Die markerlosen Daten werden allerdings fix ausgegeben und können bei auftretenden Fehlern nicht bearbeitet werden.
Die beiden Systeme wurden zum Schluss anhand des gemessenen Maximums und Minimums des Knieabduktionsmoments verglichen. Insgesamt messen die beiden Systeme durchschnittlich ein unterschiedliches Maximum von 0,2 +- 0,33, bei dem Minimum lag die gesamte durchschnittliche Differenz der beiden Systeme bei -0,34 +- 0,65. Das markerlose System zeigte durchschnittlich höhere Maxima und niedrigere Minima als das markerbasierte System auf. Durch die teilweise starken Messunterschiede und auftretenden Messfehler des markerlosen Systems, sollten die Messergebnisse des Knieabduktionsmoments zur Beurteilung von Rupturen des vorderen Kreuzbandes kritisch hinterfragt werden.
Global energy demand is still on an increase during the last decade, with a lot of impact on the climate change due to the intensive use of conventional fossil-based fuels power plants to cover this demand. Most recently, leaders of the globe met in 2015 to come out with the Paris Agreement, stating that the countries will start to take a more responsible and effective behaviour toward the global warming and climate change issues. Many studies have discussed how the future energy system will look like with respecting the countries’ targets and limits of greenhouse gases and their CO2 emissions. However, these studies rarely discussed the industry sector in detail even though it is one of the major role players in the energy sector. Moreover, many studies have simulated and modelled the energy system with huge jumps of intervals in terms of years and environmental goals. In the first part of this study, a model will be developed for the German electrical grid with high spatial and temporal resolutions and different scenarios of it will be analysed meticulously on shorter periods (annual optimization), with different flexibilities and used technologies and degrees of innovations within each scenario. Moreover, the challenge in this research is to adequately map the diverse and different characteristics of the medium-sized industrial sector. In order to be able to take a first step in assessing the relevance of the industrial sector in Germany for climate protection goals, the industrial sector will be mapped in PyPSA-Eur (an open-source model data set of the European energy system at the level of the transmission network) by detailing the demand for different types of industry and assigning flexibilities to the industrial types. Synthetically generated load profiles of various industrial types are available. Flexibilities in the industrial sector are described by the project partner Fraunhofer IPA in the GaIN project and can be used. Using a scenario analysis, the development of the industrial sector and the use of flexibilities are then to be assessed quantitatively.
Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war es, mit Hilfe einer Studie zu untersuchen, ob mit der am Vorfuß des Schuhs gebogenen Form positiver Einfluss auf die Biomechanik beim Laufen genommen werden kann. Nach Durchführung der markerbasierten Bewegungsana- lyse sowie einer Kraftmessung mittels instrumentiertem Laufband wurden hierzu über die Berechnungen der inversen Dynamik jeweils sowohl die Kinematik als auch die Kinetik der rechten unteren Extremität in der sagittalen Ebene ermittelt.
Sechzehn Versuchspersonen (25,3 ± 2,2 Jahre) absolvierten jeweils eine Laufeinheit von etwa 20 Sekunden Dauer in der Ebene mit einer flachen sowie mit einer am Vorfuß ge- bogenen Carbonfaser-Platte. Die gewählte Laufgeschwindigkeit betrug unabhängig der Bedingung 3,5 m/s. Letztlich konnte am Zehengrundgelenk ein Formeffekt betrachtet werden, wohingegen am Sprunggelenk eine Signifikanz dieses Effekts ausblieb. So war die Kinematik des Zehengrundgelenks in Form einer Reduktion der maximalen Dorsalflexi- on entlang der Stützphase bedeutsam durch die gebogene Form am Vorfuß beeinflusst. Ebenso wurden sowohl das maximale Plantarflexion-Moment als auch die generierte sowie absorbierte Leistung an diesem Gelenk während des Bodenkontaktes bedeutsam reduziert.
Aufgrund der vorliegenden Messergebnisse und des aktuellen Forschungsstandes wurde davon ausgegangen, dass die Reduktion der mechanischen Anforderungen am Zehengrund- gelenk in erster Linie infolge geringerer externer Hebelarme herbeigeführt werden konnten. Im Zusammenhang mit dem reduzierten Netto-Energieverlust wurde schließlich ein gerin- geres aktives Muskelvolumen der intrinsischen Fußmuskulatur vermutet. In Anbetracht des am Sprunggelenk ausgebliebenen Formeffekts deuteten die Daten demgegenüber jedoch nicht auf geringere Anforderungen dieses Gelenks infolge der gebogenen Form am Vorfuß hin. Diesbezüglich wurde vermutet, dass womöglich individuelle Antworten auf die Geome- trie der Mittelsohle in Form von einem aktiveren Abstoßen der Reduktion des externen Hebelarms entgegenwirkten.Nichtsdestotrotz deuteten die erhobenen Daten letztlich auf die Unterstützung der Vorteile einer erhöhten Biegesteifigkeit sowie in Teilen auf einen Ausbau dieser Effekte durch die Geometrie am Vorfuß hin.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse der Kontamination von Medizinprodukten, die kritische Geometrien aufweisen. Geprüft wurden zwei Prüfkörper, die jeweils ein kritisches Merkmal darstellen, zum einen die „gefüllten Lumen“ und zum anderen die „abgedeckten Flächen“. Anhand der auf die Prüfkörper abgestimmten Versuchsdurchführungen wurde der Einfluss der definierten Parameter Spaltweite, Prüfanschmutzung in Abhängigkeit des Anwen-dungsgebiets, Bewegung, Druck und Menge geprüft.
Die fischer eco solutions ist Hersteller von HT-PEM Brennstoffzellen und deren Komponenten. Das Herzstück der Brennstoffzellen, die Membran-Elektroden-Einheit MEA, wird auf zwei prinzipiell baugleichen Heißpressen der fischer Maschinentechnik gefertigt. Ziel dieser Arbeit ist es, dass an beiden Pressen die konstant gleiche Qualität produziert werden kann. Außerdem sollen alle relevanten Einflussgrößen und Prozessparameter bei der MEA Herstellung aufgezeigt und optimiert werden.
Es wurden verschiedene Optimierungspotentiale umgesetzt:
• Zunächst werden die Qualitätsunterschiede beider Pressen
mit Hilfe eines Vergleichs-stacks quantitativ ermittelt.
• Die Qualitätsunterschiede sind auf Unterschiede in der
SPS Steuerung zurückzuführen.
• Beide Pressen werden in ihrer Programmierung angepasst
und ein erneuter Teststack validiert die Ursache der
großen Qualitätsunterschiede.
• Stark säurebelastete Bauteile und Baugruppen müssen durch
neue ersetzt werden.
• Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wird eine Material-
substitution der betroffenen Teile durchgeführt und diese
produziert und angebaut.
• Die Prozessparameter bei der MEA Herstellung sind
Presstemperatur T und Presszeit t.
• Mit Hilfe statistischer Versuchsplanung werden Versuche
mit veränderten Parametern durchgeführt.
• Ein Teststack mit 16 verschiedenen Konfigurationen wird
auf einem Teststand getestet.
• Die Auswertung der Versuche erfolgt mit dem
Statistikprogramm MiniTab.
• Mit den optimierten Prozessparametern lässt sich eine
höhere Leistung jeder MEA bei gleichzeitig reduzierter
Zykluszeit und geringerem Energieeinsatz realisieren.
Significant improvements in module performance are possible via implementation of multi-wire electrodes. This is economically sound as long as the mechanical yield of the production is maintained. While flat ribbons have a relatively large contact area to exert forces onto the solar cell, wires with round cross section reduce this contact area considerably – in theory to an infinitively thin line. Therefore, the local stresses induced by the electrodes might increase to a point that mechanical production yields suffer unacceptably.
In this paper, we assess this issue by an analytical mechanical model as well as experiments with an encapsulant-free N.I.C.E. test setup. From these, we can derive estimations for the relationship between lay-up accuracy and expected breakage losses. This paves the way for cost-optimized choices of handling equipment in industrial N.I.C.E.-wire production lines.
Um die Geräuschanregung von Schneckengetrieben im Automobil möglichst gering zu halten, gilt es die dafür ausschlaggebenden Parameter der Schnecke zu untersuchen. Die primären Einflussfaktoren bilden die Schiefstellung sowie die Exzentrizität der Achse des Mittenzylinders der Schnecke. Diese beiden Werte werden aktuell im Rundlauf Fr zusammengefasst, welcher auf einer 3D-Koordinatenmessmaschine, durch vermessen der Schnecke bestimmt wird. Aufgrund des hohen Zeitaufwands von 20 Minuten pro Schnecke befindet sich zudem ein optischer Rundlaufprüfstand in der Entwicklung. Mit jenem ist es möglich die Schiefstellung und Exzentrizität in einem Bruchteil der Zeit zu bestimmen.
In dieser Arbeit wird in einer Problemanalyse zunächst untersucht, ob die alleinige Ausgabe des Rundlaufs den Anforderungen an die Vorhersage der Geräuschanregung genügt. Aus den daraus gewonnen Erkenntnissen wird mittels der Software MATLAB® ein Algorithmus entwickelt, welcher aus den Daten der 3D-Koordinatenmessmaschine die Schiefstellung und Exzentrizität auf unterschiedliche Weise berechnet. In mehreren Versuchsreihen werden FPS-Schnecken aus der Fertigung auf beiden Versuchsständen vermessen und die daraus gewonnenen Messwerte ausgewertet. Bei dieser Auswertung werden beide Versuchsstände miteinander, aber auch die Werte der Auswerteverfahren innerhalb der Algorithmen verglichen.
Bei diesem Vergleich stellt sich heraus, dass die Ergebnisse ähnliche Tendenzen aufzeigen. Die Abweichung der beiden Vergleichsprozesse ist vor allem beim Vergleich mit den Ergebnissen am Zahnkopf des optischen Rundlaufprüfstands meist gering. Große Abweichungen zwischen den Vergleichsprozessen lassen sich auch innerhalb der Auswertung des optischen Rundlaufprüfstandes erkennen, da hier die Differenz zwischen Zahnflanke und Zahnkopf ebenfalls bis zu 100 % betragen kann.
Die hohen Produktionskosten verhindern derzeit weitere industrielle Anwendungen des Rührreibschweißens (engl. friction stir welding, FSW), selbst wenn eine deutlich höhere Ermüdungsfestigkeit der Verbindungen im Vergleich zum konventionellen Lichtbogenschweißen erreicht werden kann. Eine höhere Schweißgeschwindigkeit kann zwar die Kosten senken, wirkt sich aber negativ auf die Ermüdungsfestigkeit der FSW-Verbindungen aus. Als mögliche Lösung wurde das hydrostatische Festwalzen angewandt, um die Ermüdungsfestigkeit artgleicher und ungleicher FSW-Verbindungen aus den Legierungen EN AW 5083 und EN AW 6082 zu verbessern, die mit unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten hergestellt wurden. Zusätzlich wurde die Ermüdungsfestigkeit direkt mit konventionell durch Metall-Inertgasschweißen (MIG) hergestellten Verbindungen und mit Grundwerkstoffproben aus EN AW 5083 verglichen. Die Oberflächenbeschaffenheit im geschweißten Zustand wurde durch Messungen der Oberflächenrauigkeit und der Eigenspannung charakterisiert. Ermüdungsversuche wurden durchgeführt, um die Ermüdungsfestigkeit der Verbindungen zu quantifizieren. Nach dem Festwalzen wurden ähnliche Druckeigenspannungen für artgleiche und ungleiche Verbindungen ermittelt. Für festgewalzte artgleiche Verbindungen aus EN AW 5083 wurde keine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit festgestellt. In diesem Zustand lag die Ermüdungslebensdauer der Probe jedoch im Bereich des Grundmaterials. Somit wurde eine signifikant niedrigere Ermüdungslebensdauer und eine hohe Verbesserung der Ermüdungslebensdauer durch Festwalzen für ungleiche Verbindungen erreicht. Eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/min auf 800 mm/min verringerte die Ermüdungsfestigkeit von Mischschweißverbindungen in diesem Fall stark.
Sensomotorische Einlagen nach Jahrling streben eine gezielte Verbesserung muskulärer Dysbalancen und der Körperstatik an. Anhand ganganalytischer Untersuchungen wurden im Zuge dieser Arbeit Daten von 19 Patient*innen beim Gehen ohne und mit Einlagen erfasst und analysiert. Ergänzend wurde zu Vergleichszwecken eine Kontrollgruppe von sieben gesunden Proband*innen herangezogen. Ziel war es, weitere Erkenntnisse über den Einfluss der Einlagenversorgung auf die Kinetik und Kinematik der unteren Extremität zu erlangen. Hierbei standen insbesondere die Kräfte und Drehmomente am Kniegelenk im Fokus.
Mittels der instrumentellen Ganganalyse wurden die Teilnehmenden im Abstand von zwei Wochen vermessen. Alle zeigten Einlagenversorgung einen erhöhten Valguswinkel am Kniegelenk während der Standbeinphase des Gehens, wiesen darüber hinaus jedoch keine neurologischen oder muskuloskelettalen Erkrankungen auf. Die Patient*innen absolvierten die Untersuchungen mit frei gewählter Ganggeschwindigkeit und auf ebener, freier Gehstrecke. Die erhobenen Daten wurden gemittelt, normiert und statistisch ausgewertet. Untersuchte Variablen sind Raum- / Zeitparameter und Verläufe der Gelenkwinkel und -momente am Kniegelenk, sowie am Sprunggelenk und dem Fußkomplex.
Die Ergebnisse lassen auf signifikante Effekte der Einlage auf die Kinematik des Kniegelenks in frontaler Ebene schließen. Der Abduktionswinkel der Teilnehmenden bei Toe-off wurde, durch die Versorgung mit sensomotorischen Einlagen, beispielsweise um 3,6° reduziert. Der Vergleich mit Personen ohne Beinachsfehlstellung zeigte zudem eine Annäherung des Verlaufs des Valguswinkel über nahezu den gesamten Gangzyklus. Es konnten zudem vereinzelt signifikante Unterschiede anhand des Extremwertvergleichs der Dorsal- und Plantarflexion des oberen Sprunggelenks nachgewiesen werden. Die Zeit- / Distanz- Parameter und Momentenverläufe blieben jedoch unverändert.
Die Arbeit zeigt, dass die sensomotorischen Einlagen Einfluss auf die Kinematik der Gelenke der unteren Extremität haben. Es wird allerdings auch deutlich, dass die Komplexität der Wirkmechanismen und deren Auswirkung durch die recht einfach gehaltene Ganganalyse nicht gänzlich erfasst werden kann. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Beobachtungen zu stützen und die Ergebnisse differenzierter erklären und bewerten zu können. Hierfür erscheint es sinnvoll, die Anzahl an Patient*innen zu erhöhen und die instrumentelle Ganganalyse mit EMG-Aufzeichnungen und einem detaillierteren Markermodell zu ergänzen.
Gesetzliche Auflagen, Kundenanforderungen sowie das Risiko von finanziellen Folgen und Imageschäden durch Rückrufaktionen zwingen die Automobilhersteller und ihre Lieferanten eine lückenlose Rückverfolgbarkeit der Produkte zu gewährleisten.
Darüber hinaus ist es nicht möglich, die Qualität von Klebverbindungen zu überprüfen, ohne dabei die Bauteile zu zerstören. Daher ist es bei Klebverbindungen mit hohen Sicherheitsanforderungen umso wichtiger, eine lückenlose Nachweisführung und Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten. Ziel dieser Masterthesis ist es, ein Konzept zu erstellen, welches die Rückverfolgbarkeit von Klebverbindungen mit hohen Sicherheitsanforderungen sicherstellt. Dieses Konzept berücksichtigt die Norm DIN 2304-1, in welcher Qualitätsanforderungen an Klebprozesse definiert sind.
Die Ausarbeitung des Rückverfolgbarkeitskonzepts basiert neben den Anforderungen der DIN 2304-1 auf den gesetzlichen Vorgaben und den Kundenanforderungen. Darüber hinaus werden zunächst die Methodik und die technischen Lösungen des Unternehmens dargestellt.
Das im Rahmen dieser Masterthesis entwickelte Konzept beinhaltet sowohl eine Beschreibung zur technischen Umsetzung der Anforderungen als auch die Definition der für die Nachweisführung relevanten Daten.
Die fluktuierende Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen stellt eine Herausforderung bei der Planung und Auslegung regenerativer Gebäudeenergiesysteme dar. Die in einem System benötigten Speicherkapazitäten hängen dabei sowohl von der eingesetzten Regelungsstrategie als auch von den temperaturabhängigen Wirkungsgraden der Anlagenkomponenten ab. Genauere Einblicke in das Betriebsverhalten eines Gesamtsystems können dynamische Simulationen liefern, die eine Analyse der Systemtemperaturen und von Teilenergiekennwerten ermöglichen.
Kurzfassung
Hintergrund: Eine Methode, mit der Richtungswechsel (COD) im Sport erkannt und quantifiziert werden können, kann eine weitere wichtige Variable bei der Überwachung von Belastungen sein und so Einfluss auf die Belastungssteuerung nehmen.
Zielsetzung: Die Überprüfung der Genauigkeit und Übereinstimmung einer GNSS-Trackingeinheit (Catapult OptimEye S5) bei vorgegebenen CODs im Bereich zwischen 45° und 180° nach links und rechts im Vergleich zu einem Bewegungserfassungssystem.
Stichprobe: 20 junge und zum Zeitpunkt der Messung gesunde Fußballer (10 Männer/10 Frauen; Alter: 25.3 ± 3.5 Jahre; Größe: 173 ± 8.5 cm; Gewicht: 66 ± 9.3 kg)
Methodik: Gleichzeitige Aufnahme von Positionsdaten (Catapult OptimEye S5) und Bewegungserfassungsdaten (Theia3D Markerless Motion-Capture) während je drei aufeinanderfolgenden Läufen pro vorgegebenen Winkel (180°, 135°, 90°, 45°) in beide Richtungen.
Ergebnisse: Eine gute Genauigkeit ist für 180°-CODs in beide Richtungen ermittelt worden. Deutlich unterschätzt sind die 45°-CODs in beide Richtungen und der 90°-COD nach links, weniger unterschätzt ist der 90°-COD nach rechts. Der 135°-COD ist für beide Richtungen deutlich nach oben verzerrt. Die Übereinstimmung ist für beide 180° Winkel und die 135°- und 45° Winkel nach links zufriedenstellend. Alle Ergebnisse werden über den Mittelwert ± Standardabweichung und der Bland-Altman 95%-Grenzen dargestellt.
Schlussfolgerung: Die Ergebnisse zeigen, dass die GNSS-Technologie bei CODs an ihre Grenzen stößt. Dennoch können mit einem Kompromiss in Bezug auf die Genauigkeit, unterschiedliche Winkel bei CODs bestimmt werden.
Die Hohlprobentechnik soll als Alternative zur Autoklavtechnik eingesetzt werden,
um Werkstoffe unter Druckwasserstoffeinfluss charakterisieren zu können. Daher
wird in dieser Arbeit die Hohlprobengeometrie unter LCF-Belastung mit Hilfe
der Finite-Elemente-Methode untersucht. Dabei wird besonders auf den Einfluss
des Innendrucks, der Belastung und der Temperatur eingegangen. Die Ergebnisse
werden mit der Vollprobengeometrie verglichen, um die Eignung der Hohlprobe als
Alternative zur Vollprobe zu untersuchen. Ohne Innendruck ist kein Unterschied
im Verformungsverhalten zwischen Voll- und Hohlprobe zu erkennen. Bei hohen
Innendrücken kann die Hohlprobe ihre Formstabilität verlieren. Daher können in
Experimenten nicht alle Kombinationen aus Temperatur und Innendruck untersucht
werden.
Im zweiten Teil der Arbeit wird die belastungsabhängige Wasserstoffdiffusion an einer
angerissenen Hohlprobe numerisch untersucht. Durch die Spannungsgradienten an der
Rissspitze wird die Wasserstoffkonzentration beeinflusst. Um einen Zusammenhang
zwischen der Plastizität und der Diffusion zu untersuchen, wird eine plastische und
eine Diffusionszone ausgewertet. Hier zeigt sich, dass die Diffusionszone hauptsächlich
von der Risslänge und weniger von der Belastung abhängt.
Es werden die aktuellen Studien über Fußformen auf signifikante Unterschiede zwischen Männer und Frauen, Einflussfaktoren wie das Alter, die Körpergröße, das Gewicht und den BMI untersucht. Weiter werden die Unterschiede zwischen verschiedenen Ethnien, Belastungen und dem Aufwachsen mit oder ohne Schuhe analysiert. Die Studien werden über PubMed und ConnectedPapers gesucht und die Daten mit Excel ausgewertet und graphisch dargestellt. Folgendes hat sich ergeben: das Alter hat im Wachstum des Fußes einen Einfluss auf die Fußlänge und die Fußbreite. Außerhalb des Wachstums hat das Alter Einfluss auf die fibulare Bogenlänge und die Bogenhöhe. Die Körpergröße hat Einfluss auf die Fußlänge, die fibulare Bogenhöhe, die distale Knöchelhöhe und den Ballenumfang. Das Gewicht hat im Fußwachstum einen Einfluss auf die Fußlänge. Außerhalb des Wachstums hat das Gewicht einen Einfluss auf die fibulare Bogenhöhe, die Höhe des distalen Knöchels, die Zehenhöhe und den Ballenumfang. Der BMI hat einen Einfluss auf die fibulare Bogenlänge, die mediale und distale Knöchelhöhe und die Zehenhöhe. Für die Fersenbreite und die Risthöhe wurden keine Einflussfaktoren gefunden.
Aufgrund der verstärkten Bedeutung von Datenschutz in der modernen Gesellschaft und der verstärkten Nutzung von markerlosen Systemen wird es zunehmend interessant, ob ein solches System zuverlässige Werte auch bei noch unpopuläreren Bewegungen, wie der Kopfbewegung, liefert. Diese treten, bei der heute vorwiegend sitzenden Gesellschaft und im Zeitalter von Nackenverspannungen und der daraus resultierenden Bewegungseinschränkungen, mehr in den Fokus. Auch unter dem Gesichtspunkt des Datenschutzes ist es wichtig, nicht nur die Namen der Probanden, sondern auch deren
Gesichter in den Aufzeichnungen zu anonymisieren.
In der vorliegenden Arbeit wird daher evaluiert, ob das markerlose Bewegungsanaylsesystem Theia mit anonymisierten Dateien ähnliche Ergebnisse erzeugt, wie mit den originalen Dateien. Für diese Studie wurden sechs verschiedene Bewegungen bis zu ihrem Maximalausschlag des jeweiligen Probanden aufgezeichnet. Die Bewegungen hierbei sind Flexion und Extension des Kopfes, Lateralflexion sowie Rotation zu beiden Seiten. Zusätzlich wurde noch ein Durchgang Kopfkreisen aufgezeichnet. Dieser bestand aus dreimaligem Kopfkreisen, welches eine Kombination aus den vorherigen Bewegungen ist.
Die anonymisierten Daten wurden mittels eines Algorithmus bearbeitet, welcher das Gesicht der Probanden unkenntlich macht. Dies geschah durch das Schwärzen des Gesichtes oder einem Verschwimmen des Gesichts. Danach wurden die drei Datensätze in Theia verarbeitet und in EXCEL ausgewertet. Dabei kam es vor allem bei der geschwärzten Version bei Flexion und Extension zu großen systematischen und zufälligen Fehlern. Der Mittelwert des systematischen Fehlers ist die Abweichung von 13,62 Grad zu den Originalwerten. Der zufällige Fehler ist im Mittel mit 170,57 Grad stärker abweichend. Im Vergleich dazu liegt der Mittelwert des systematischen Fehlers bei der geblurrten Versionen im Vergleich zu den Originalwerten bei 5,17 Grad. Die geblurrte Version weist zudem seltener signifikante Unterschiede und einen mittleren zufälligen Fehler von 23,43 Grad auf, weshalb diese Version unter geringem Vorbehalt verwendbar ist, die geschwärzte Version jedoch nicht.
Die Bachelorarbeit umfasst die Entwicklung einer Pendelhubstichsäge für die Verwendung in CNC-Bearbeitungszentren. Der Entwicklungsprozess durch läuft alle vier Phasen: Planung, Konzeption, Konstruktion, Ausarbeitung. Endergebnis der Bachelorarbeit ist ein vollständiges 3D-Modell mit allen fertigungsrelevanten Dokumenten.
Die Verletzung des Sprunggelenks ist eine der häufigsten Verletzungen bei vielen Sportarten. Um diese Verletzungen zu verringern und zu verhindern, werden immer neuere Gelenkschutzarten oder Schuhe entwickelt. Dafür sind vor allem Dehnungen am Schuhobermaterial interessant, für die es noch keine Studie gegeben hat.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Studie im Motion Capture Labor der Hochschule Offenburg durchzuführen und die maximale Dehnungen bzw. Längenänderungen im Vor- und Mittelfußbereich bei einem Schuh mit elastischem Obermaterial zu bestimmen. Dabei sollen auch die vertikale Kraft und die Zeitpunkte der maximalen Längenänderung gemessen werden.
Die Studie wurde mit 22 Probanden durchgeführt und es wurden eine statische Aufnahme und acht Bewegungen aufgenommen. Die relevanten Bewegungen für diese Arbeit sind Laufen, Gehen, Abstoppen aus schnellem Laufen und Abstoppen aus Gehen. Dabei wurde ein Motion Capture System und eine Kraftmessplatte genutzt, bei der die Probanden mit dem linken Fuß auftreten mussten. Der Vorfußbereich war mit fünf Markern und der Mittelfußbereich mit sieben Markern besetzt, die jeweils eine Querlinie über den Fuß bildeten. Die Kameras des Motion Capture Systems haben das reflektierende Infrarotlicht der Marker aufgenommen und das System die 3D-Daten gespeichert. Mit diesen Daten wurden alle Ergebnisse berechnet.
Es wurden hohe maximale Längenänderungen und vertikale Kräfte beim Abstoppen aus schnellem Laufen gefunden. Außerdem weisen Laufen und Gehen eine sehr niedrige vertikale Kraft beim Mittelfußbereich auf. Die Zeitpunkte der maximalen Längenänderungen sind für den Vor- und Mittelfußbereich bei jeder Bewegung sehr ähnlich. Der Vorfußbereich dehnt maximal am Anfang jeder Bewegung bzw. am Anfang des Auftretens des Fußes, während der Mittelfußbereich am Ende jeder Bewegung maximal dehnt.
Heutzutage befindet sich die Menschheit in einem Zeitalter des Bewegungsmangels. Körperliche Aktivitäten dringen immer weiter in den Hintergrund. Dadurch wird die Gesundheit deutlich beeinträchtigt. Es entstehen vermehrt Krankheiten wie Diabetes und Schädigungen des Herz-Kreislauf-Systems. An diesem Beispiel lässt sich verdeutlichen, wie wichtig körperliche Bewegung ist. Die gängigste Art ist das Laufen und das Gehen. Dazu wurden Laufschuhe entwickelt. Jedoch ist die Passform oft nicht so ausgestattet, um für eine perfekte Laufperformance und ein möglichst geringes Verletzungsrisiko zu sorgen. Es entsteht ein Spiel zwischen Laufschuh und dem Fuß. Um dieses Spiel zu minimieren bzw. für eine verbesserte Laufperformance zu sorgen werden Gurtsysteme bzw. Schnürsysteme entwickelt. Das Ziel hierbei ist es zu prüfen, ob diese Gurtsysteme auch wirklich einen signifikanten Vorteil erweisen und ob es Unterschiede zwischen den einzelnen Schnürungen, sowie dem Schuh ohne Schnürung gibt.
In dieser Studie wurden 5 Probanden rekrutiert. Im Biomechanik Labor wird jeder Proband einzeln gemessen. Dabei positionieren die messenden Personen einen Schuh an den Probanden. Anschließend wird ein Gurtsystem befestigt. Es handelt sich hierbei um 4 verschiedene Schnürungen, die jeweils einmal um den Schuh gewickelt werden. Die Gurtsysteme sind dieselben, jedoch an einer anderen Position von proximal nach distal entlang des Fußes positioniert. Zusätzlich werden die Bewegungen noch mit dem Schuh ohne das Schnürsystem durchgeführt. Es handelt sich hierbei um 5 verschiedene Bewegungen. Das Gehen, das Laufen, das Springen, sowie das Abstoppen aus dem Gehen und dem Laufen. Ziel dabei ist es die horizontale Bewegung der Ferse nach vorne relativ zur Sohle, sowie die Verschiebung der Ferse relativ zur Sohle in vertikaler Richtung zu untersuchen und rauszufinden, ob es einen grundlegenden Unterschied zwischen den einzelnen Schnürungen gibt. Die einzelnen Messwerte beschreiben den Abstand zwischen dem Marker an der Ferse sowie auf dem Schuh, die gemeinsam ein Koordinatensystem aufspannen.
Die Messwerte der maximalen horizontalen Fersenbewegung bei der Bewegung Abstoppen aus dem Gehen zeigen, dass eine Signifikanz beim Friedman-Test vorhanden ist. Hierbei sind bei dem Vorzeichentest die Messungen D1 und D2, D1 und D3, D3 und D4, sowie D3 und Ohne, signifikant.
Die Messwerte der maximalen vertikalen Fersenbewegung bei der Bewegung Gehen zeigen, dass eine Signifikanz beim Friedman-Test vorhanden ist. Hierbei sind bei dem Vorzeichentest die Messungen D1 und Ohne, D2 und Ohne, D3 und Ohne, sowie D4 und Ohne, signifikant.
Die Messwerte der maximalen horizontalen Fersenbewegung bei der Bewegung Laufen zeigen, dass eine Signifikanz beim Friedman-Test vorhanden ist. Hierbei sind bei dem Vorzeichentest die Messungen D1 und D2, D1 und D4, sowie D3 und Ohne, signifikant.
Zu den Messungen Abstoppen aus dem Gehen MVF, Abstoppen aus dem Laufen MHF, Gehen MHF, Laufen MVF, Springen MHF und Springen MVF zeigt das Ergebnis des Friedmann Tests einen niedrigeren Wert als den Kritische Wert von 9,49. Somit haben diese Messungen untereinander keine Signifikanz und werden somit nicht für den Vorzeichentest verwendet.
Patienten mit neurologischen Erkrankungen, die Auswirkungen auf die Muskelaktivität der unteren Extremitäten haben, leiden oft an Gangstörungen in der Schwung- und Standphase. Um diesen Gangstörungen entgegenzuwirken und einzelne Muskeln zu unterstützen oder zu ersetzen, stellt die Versorgung mit Unterschenkelorthesen eine Behandlungsoption dar. Den Ärzten steht dabei eine Vielzahl an Orthesentypen mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften zur Verfügung. Zur Beurteilung der Wirksamkeit einer Orthesenversorgung werden dreidimensionale Ganganalysen mit und ohne Orthese durchgeführt. Die Entscheidungsfindung wird durch eine Simulation des Bewegungsapparates, dem muskuloskelettalen Modelling, unterstützt. Aus den Messdaten der Ganganalyse mit Orthese wird mittels der inversen Dynamik auf die bewegungserzeugenden Muskelkräfte im Körper zurückgerechnet. Der-zeit wird das Gesamtmoment um das Sprunggelenk in die Berechnung mit einbezogen, welches sich aus dem internen Moment, erzeugt von Muskeln, Sehnen und Bändern der unteren Extremitäten des Patienten und dem externen Orthesenmoment zusammensetzt. Durch eine isolierte Ermittlung des Unterstützungsmoments einer Unterschenkelorthese kann durch das muskuloskelettale Modelling eine genauere Aussage über die Auswirkungen einer Unterschenkelorthese auf die Muskelaktivität der unteren Extremitäten und die Funktionalität des Bewegungsapparates des Patienten getroffen werden. Zur Bestimmung des Orthesenmoments wird die Rotationssteifigkeit, die wichtigste mechanische Eigenschaft einer Unterschenkelorthese mithilfe einer Testvorrichtung gemessen. Denn diese beschreibt das Widerstandsmoment der Orthese, das sie bei der Deformation in Plantar- oder Dorsalflexion er-zeugt, um eine gewisse Biegung um die Sprunggelenksachse freizugeben. Die Literaturrecherche ergibt, dass die Rotationssteifigkeit einer Unterschenkelorthese auf einem Prüfstand mit einem physischen Ersatzbeinmodell zur Fixierung der Orthese gemessen wird. In der bestehenden Testvorrichtung am Kinderspital Basel werden die Orthesen allerdings ohne Ersatzbeinmodell untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Ermittlung der Eignung der bestehenden Vorrichtung ohne Ersatzbeinmodell zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit. Dazu werden eine steife und drei Karbonfederorthesen auf der Testvorrichtung und am Bein eines gesunden Probanden in vergleichbaren Auslenkungen gemessen. Die Bewegung der Orthese wird mittels dreidimensionalem markerbasiertem Kameramesssystem aufgenommen und die kinetischen Daten über dreidimensionale Kraftmessplatten erfasst.
Für den Vergleich der beiden Testkonditionen werden drei Parameter definiert. Der Erste ist das Deformationsmaß der Orthese. Dieses beschreibt die Deformationslinie des Orthesenschafts in Sagittalebene. Der Vergleich zeigt, dass dieses bei allen getesteten Orthesentypen in starkem Maß zwischen beiden Testkonditionen variiert und damit nicht vergleichbar ist. Der zweite Parameter ist die Betrachtung eines vereinfachten Modells für das Verhalten des Rotationspunkts in der Sagittalebene, um den der Orthesenschaft bei der Verformung rotiert. Hierzu werden Geraden durch die Marker des Schafts und des Fußes gelegt und deren Schnittpunktverhalten bei der Deformation analysiert. Die Bewegung des Schnittpunkts variiert je nach Testkondition, jedoch wird das Maß der Bewegung im Vergleich zu anderen Einflussfaktoren als vernachlässigbar eingestuft. Hier gleichen sich somit die beiden Testkonditionen. Der dritte Parameter ist die Rotationssteifigkeit der Orthese. Hierzu werden mit den Kraftmessplatten die Kräfte gemessen und mit den Positionsdaten der Marker ein Hebelarm und der Deformationswinkel definiert. Die ermittelten Daten weichen zwischen den Testkonditionen in großem Maß voneinander ab. Eine direkte Aussage über die Eignung der Testvorrichtung kann nicht getroffen werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Messung am Bein des Probanden keine realistischen und da-mit verwertbaren Messdaten zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit liefert. Schlussfolgernd sind die Messdaten beider Testkonditionen mit den angewandten Mess- und Berechnungsmethoden nicht vergleichbar. Die Eignung der Testvorrichtung lässt sich somit nur bedingt beurteilen. Einerseits liefert der Aufbau der Vorrichtung und die Messdurchführung Messda-ten zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit, andererseits kann noch keine Aussage darüber getroffen werden, ob die Messdaten zu einer qualitativen Ermittlung der Rotationssteifigkeit der Orthese führen können. In zukünftigen Studien muss die Messung am Bein des Proban-den optimiert werden, um Referenzwerte für die Messung auf der Testvorrichtung bereitstellen zu können.
Die Analyse von biomechanischen Parametern erlangt in der Sportwissenschaft und der Biomechanik eine immer größere Bedeutung. Daraus entwickelten sich mit der Zeit neue Analysemethoden, die sich zum Ziel gesetzt haben, eine bessere, schnellere und einfachere Analyse der biomechanischen Parameter zu ermöglichen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es zu evaluieren, ob die Sensor-Technologie für die Analyse von biomechanischen Parametern im Bereich des Skisprungs und Skilanglaufs eingesetzt werden kann und dabei einen Vorteil gegenüber den derzeitig verwendeten Analysemethoden mit sich bringt. Dabei soll ein Lösungskonzept entwickelt werden, welches gezielt die Geschwindigkeiten und Zeiten, im Skisprung und Skilanglauf analysieren kann.
Für die Auswahl der Sensoren, wurden zu Beginn Randbedingungen festgelegt, die ein Sensor erfüllen muss, um für den Einsatz im Skisprung und Langlauf geeignet zu sein. Dabei stehen vor allem die Outdoorfähigkeit, Scanfrequenz und die Reichweite im Fokus der Evaluierung. Auf Basis der Randbedingungen wurden diese mit den Eigenschaften der Sensoren verglichen und eine Vorauswahl getroffen. Dabei kam man zu dem Ergebnis, dass fünf Sensoren für den Einsatz im Skisprung und Skilanglauf geeignet sind. Die Sensoren kommen jeweils aus dem Bereich der LiDAR- (light detection and ranging), RFID- (Radio-Frequency Identification), und Radar-Technologie. Im Anschluss wurde für jeden Sensor ein Lösungskonzept zur Bestimmung von Geschwindigkeiten und Zeiten, unabhängig von dem zu messenden Objekt, erstellt und abschließend auf ihre Verwendbarkeit im Skisprung und Skilanglauf bewertet. Dadurch stellte sich heraus, dass die Kombination aus einem LiDAR-Sensor (LMS5xx) und einem RFID-Sensor (RFU63x) am besten für den Skilanglauf geeignet ist. Für die Verwendung im Skisprung zeigte sich ebenfalls eine Kombination aus dem RFID-Sensor (RFU63x) und einem Radar-Sensor (RMS1000) als bestmögliches Lösungskonzept zur Analyse von Geschwindigkeiten und Zeiten.
Die Arbeit hat gezeigt, dass die Sensor-Technologie in Zukunft eine schnellere, unabhängigere und einfache Methode zur Analyse von biomechanischen Parametern ermöglicht. Dabei muss berücksichtigt werden, dass es sich um eine theoretische Untersuchung handelt, welche als Vorlage für weitere Untersuchungen dienen soll.
This mature textbook brings the fundamentals of fluid mechanics in a concise and mathematically understandable presentation. In the current edition, a section on dissipation and viscous potential flows has been added. Exercises with solutions help to apply the material correctly and promote understanding.
UAVs (engl. Unmanned Aerial Vehicles) sind in den vergangenen Jahren auch außerhalb militärischer und wissenschaftlicher Nutzung beliebter geworden. Für autonome Fluganwendungen ist die Überwachung der Umgebung zwingend notwendig. In dieser Arbeit wird ein experimenteller Ansatz zur Hinderniserkennung mit Radar- und Lidarsensorik präsentiert. Dieser setzt sich aus der Kollisionsvermeidung der Flugsteuerung px4, einem Nvidia Jetson TX2 als Flugbegleitcomputer und den Sensoren Slamtec RPLidar A2M6 und Texas Instruments AWR1443 Radar zusammen. Insgesamt wurden drei verschiedene Hardwarekomponenten getestet. Zur Auswertung der Versuche wird eine durch Python OS-unabhängige Auswertesoftware entwickelt und implementiert. Die Versuchsplanung setzt sich aus drei Versuchen mit jeweils fünf in Geometrie und Textur unterschiedlichen Hindernissen zusammen. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass der eingesetzte Lidar gegenüber dem Radar Vorteile auf kurze Distanz aufweist. Zur Reproduzierbarkeit von Experimenten auf kurzer Distanz wird die Entwicklung eines fixen Messaufbaus empfohlen.
Reibung und Verschleiß in tribologischen Kontakten verursachen knapp ein Viertel des weltweiten Primärenergiebedarfs. Dies stellt ein enormes Potential zur Minderung von Treibhausgasemissionen und Absenkung von Kosten dar. Aufgrund dessen ist die Optimierung von Reibkontakten ein Kernthema der Tribologie. Hierfür ist der Supraschmierzustand, bei welchem die Reibung aufgrund spezieller Schmiermechanismen annähernd vollständig verschwindet (Reibungszahl 𝜇 ⩽ 0,01), von besonderem Interesse. Die jährlich steigende Anzahl an Veröffentlichungen belegt das hohe wissenschaftliche Interesse an dem Thema. Bisher konnte Supraschmierung jedoch nur für Modellsysteme nachgewiesen werden, das Übertragen auf technische Systeme ist noch nicht gelungen.
Ziele dieser Arbeit waren der Nachweis von Supraschmierung in einem punktförmigen Modellkontakt und die Überführung in den Flächenkontakt eines realen Gleitlagers durch Verwendung von technischer Keramik und/oder DLC-Beschichtungen.
Hierfür wurde zunächst das Schmierverhalten einiger Modellschmierstoffe in einem Stahl/a-C:H:Si- Kontakt untersucht. Die niedrigsten Reibwerte wurden bei Verwendung von Glycerol erzielt. Daher wurde Glycerol als Modellschmierstoff für weitere tribologische Untersuchungen an unterschiedlichen Oberflächen (a-C:H, ta-C, Keramik) verwendet.
Die besten Ergebnisse hinsichtlich Reibung und Verschleiß wurden mit technischer Keramik erzielt. Mit einer Stahl/Si3N4-Paarung wird bei 80 °C Supraschmierung für Gleitgeschwindigkeiten von 0,007 𝑚/𝑠 bis 0,965 𝑚/𝑠 nachgewiesen. Als kleinste Reibungszahl wird 𝜇 = 0,0015 gemessen.
Die geringste Reibung in einem Stahl/DLC-Kontakt wird mit einer a-C:H:Si-Schicht erreicht. Hierbei konnte Supraschmierung bei 80 °C für Gleitgeschwindigkeiten von 0,029𝑚/𝑠 bis 0,484𝑚/𝑠 nachgewiesen werden. Die kleinste Reibungszahl für das System beträgt 𝜇 = 0,0063.
Der Nachweis von Supraschmierung gelingt für anwendungsnahe Betriebsparameter, dies stellt einen Fortschritt gegenüber den meisten Literaturdaten dar. Um die Übertragbarkeit auf technische Systeme zu demonstrieren,werden die besten identifizierten Oberflächen und Schmierstoffe auf einem anwendungsnahen Gleitlagerprüfstand untersucht. Durch Verwendung von a-C:H:Si-beschichteten Wellen und Glycerol als Schmierstoff kann der Reibwert bei Raumtemperatur von 𝜇 = 0,965 im Referenzsystem auf 𝜇 = 0,038 gesenkt werden.
Um die Arbeit fortzusetzen, werden die identifizierten Systeme in axiallagerähnlicher Anordnung (Gleitring/Gleitpad) untersucht.
Um gezielt DLC-Schichten zu entwickeln, sind Reibungssimulationen notwendig. Im nächsten Schritt sollen umfassende Oberflächenanalysen durchgeführt werden, um die nötige Datenbasis für die Simulation zu erstellen.
Über zwei Jahrzehnte hat sich an der Hochschule Offenburg im Umfeld von Professor Elmar Bollin eine Forschungsgruppe etabliert, die die Bereiche Gebäudeautomation und nachhaltige Energietechnik zusammenführten. Anfänglich ging es darum die Potenziale der internetbasierten Wetterprognostik und modell-basierten Anlagensteuerung für die Verbesserung des Komforts und der Energieeffizienz im Gebäude zu nutzen. Im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit Einsatz von dynamischen Gebäudesimulationen konnte schließlich ein Algorithmus gefunden werden, der es ermöglichte auf Basis von prognostizierter Außentemperatur und Sonneneinstrahlung den Energiebedarf eines Bürogebäudes für den Folgetag vorherzusagen. In Verbindung mit der Gebäudeautomation entstand so die adaptive und prädiktive TABS-Steuerung AMLR.
This book constitutes the refereed proceedings of the 21st International TRIZ Future Conference on Automated Invention for Smart Industries, TFC 2021, held virtually in September 2021 and sponsored by IFIP WG 5.4.
The 28 full papers and 8 short papers presented were carefully reviewed and selected from 48 submissions. They are organized in the following thematic sections: inventiveness and TRIZ for sustainable development; TRIZ, intellectual property and smart technologies; TRIZ: expansion in breadth and depth; TRIZ, data processing and artificial intelligence; and TRIZ use and divulgation for engineering design and beyond.
Chapter ‘Domain Analysis with TRIZ to Define an Effective “Design for Excellence’ is available open access under a Creative Commons Attribution 4.0 International License via link.springer.com.
Energiemanagement im Betrieb
(2021)
Über zwei Jahrzehnte hat sich an der Hochschule Offenburg eine Forschungsgruppe etabliert, die die beiden Bereiche Gebäudeautomation und nachhaltige Energietechnik zusammenführte. Anfangs ging es darum, Potentiale der internetbasierten Wetterprognostik und modell-basierten Anlagensteuerung für die Verbesserung des Komforts und der Energieeffizienz im Gebäude zu nutzen. Im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit Einsatz von dynamischen Gebäudesimulationen konnte ein Algorithmus gefunden werden, der es ermöglichte auf Basis von prognostizierter Außentemperatur und Sonneneinstrahlung den Energiebedarf eines Bürogebäudes für den Folgetag vorherzusagen. In Verbindung mit der Gebäudeautomation entstand so die adaptive und prädiktive TABS-Steuerung AMLR.
Dieses Fachbuch gibt einen vertieften Einblick in das dynamische Verhalten von thermoaktiven Bauteilsystemen. Es wird eine neu entwickelte und vielfach erprobte, selbstlernende und vorausschauende TABS-Steuerung vorgestellt. Dazu wird auf die Erfordernisse einer effektiven TABS-Steuerung eingegangen und die Grundlagen und Funktionsweise der neu entwickelten AMLR-Steuerung erläutert. Anhand mehrerer Anwendungsbeispiele wird die Umsetzung in die bauliche Praxis erläutert und mit Hilfe von umfangreichen Messergebnissen die Funktion der neuen AMLR-Steuerung nachgewiesen. Abschließend werden Empfehlungen für die Anwendung von AMLR in der baulichen TABS-Praxis hinsichtlich Anlagenhydraulik und Umsetzung in der Gebäudeautomation gegeben.
We describe a prototype for power line communi- cation for grid monitoring. The PLC receiver is used to gain information about the PLC channel and the current state of the power grid. The PLC receiver uses the communication signal to obtain an accurate estimate of the current channel and provides information which can be used as a basis for further processing with the aim to detect partial discharges and other anomalies in the grid. This monitoring of the power grid takes advantage of existing PLC infrastructure and uses the data signals, which are transmitted anyway to obtain a real-time measurement of the channel transfer function and the received noise signal. Since this signal is sampled at a high sampling rate compared to simpler measurement sensors, it contains valuable information about possible degradations in the grid which need to be addressed. While channel measurements are based on a received PLC signal, information about partial discharges or other sources of interference can be gathered by a PLC receiver in the absence of a transmit signal. A prototype based on Software Defined Radio has been developed, which implements the simultaneous communication and sensing for a power grid.
This study aims to investigate the individual response concerning BRFs for AT when the mid-sole hardness underneath the rearfoot was systematically altered. We first identified FGs based on the footwear condition that minimised the risk for AT across BRFs. We then tested the FGs for differences in anthropometrics, footwear comfort, and running characteristics.
Wood juice, a liquid produced during wood processing, is a harmful waste that requires utilization. To achieve a circular economy, biowastes should be recycled, reducing fossil carbon usage. Therefore, the objective of this work was to examine the potential of wood juice as a feedstock for bioplastic synthesis by Bacillus sp. G8_19. Polyhydroxyalkanoate (PHA) syntheses using wood juice from Douglas fir trees and that from a mixture of spruce/fir trees were compared. It was found that the PHA content was higher after using wood juice from spruce/fir trees than that from Douglas fir trees (18.0% vs 6.1% of cell dry mass). Gas chromatography analysis showed that, with both wood juices, Bacillus sp. G8_19 accumulated poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate). The content of 3-hydroxyvalerate (3HV) monomers was higher when spruce/fir wood juice was used (10.7% vs 1.9%). The C/N ratio did not have a statistically significant effect on the copolymer content in biomass, but it did significantly influence the 3HV content. The proposed concept may serve as an approach to wood waste valorization via production of biodegradable materials.
For some years now, additive manufacturing (AM) has offered an alternative to conventional manufacturing processes. The strengths of AM are primarily the rapid implementation of ideas into a usable product and the ability to produce geometrically complex shapes. It has also significantly advanced the lightweight design of products made of plastic. So far, the strength of printed components made of polymers is previously very limited.
Recently, new AM processes have become available that allow the embedding of short and also long fibers in polymer matrix. Thus, the manufacturing of components that provide a significant increase in strength becomes possible. In this way, both complex geometries and sophisticated applications can be implemented. This paper therefore investigates how this new technology can be implemented in product development, focusing on sports equipment. An extensive literature research shows that lightweight design plays a decisive role in sports equipment. In addition, the advantages of AM in terms of individualized products and low quantities can be fully exploited.
An example of this approach is the steering system for a seat sled used by paraplegic athletes in the Olympic discipline of Nordic paraskiing. A particular challenge here is the placement and alignment of the long carbon fibers within the polymer matrix and the verification of the strength by means of Finite-Element-Analysis (FEA). In addition, findings from bionics are used to optimize the lightweight design of the steering system. Using this example, it can be shown that the weight of the steering system can be drastically reduced compared to conventional manufacturing. At the same time, a number of parts can be saved through function integration and thus the manufacturing and assembly effort can be reduced significantly.
The work focuses on predictive capabilities of fundamental cyclic plasticity and fatigue life models, which can be calibrated using limited amount of experiments as specific ones needed for more advanced models are often absent. The analyses are conducted for the synthetic case of exhaust manifold made from cast iron. The thermal boundary conditions from the forced convection were obtained from the computational fluid dynamics considered as a conjugate heat transfer problem. Two rate-independent and temperature-dependent material models were calibrated for structural analyses. Both were validated with experiments on isothermal and anisothermal levels. Sequential thermal–mechanical finite element simulations were performed. Two fatigue life models were employed. The first was a temperature-dependent strain-based fatigue life criterion calibrated from uniaxial data. The second was a temperature-independent energy-based fatigue life criterion resulting in twice lower life than the strain-based criterion, while none of the plasticity models made a significant difference in that prediction.
Drawing off the technical flexibility of building polygeneration systems to support a rapidly expanding renewable electricity grid requires the application of advanced controllers like model predictive control (MPC) that can handle multiple inputs and outputs, uncertainties in forecast data, and plant constraints amongst other features. In this original work, an economic-MPC-based optimal scheduling of a real-world building energy system is demonstrated and its performance is evaluated against a conventional controller. The demonstration includes the steps to integrate an optimisation-based supervisory controller into a standard building automation and control system with off-the-shelf HVAC components and usage of state-of-art algorithms for solving complex nonlinear mixed integer optimal control problems. With the MPC, quantitative benefits in terms of 6–12% demand-cost savings and qualitative benefits in terms of better controller adaptability and hardware-friendly operation are identified. Further research potential for improving the MPC framework in terms of field-level stability, minimising constraint violations, and inter-system communication for its deployment in a prosumer-network is also identified.
Due to higher combustion chamber temperatures and pressures in efficient combustion engines, both the high-cycle and thermomechanical fatigue loads on service life-critical components, such as the cylinder head, are increasing. Material comparisons and analysis of damage behavior are very expensive and time-consuming using component tests. This study therefore develops a test method for cylinder head materials that takes into account the combined loading conditions from the above-mentioned loads and allows realistic temperature transients and gradients on near-component samples. The near-component cylinder head sample represents the failure-critical exhaust valve crosspiece and is tested in a test rig specially designed with the aid of conjugate heat transfer simulations. In the test rig, the sample is subjected to thermal stress by a hot gas burner and to mechanical stress by a high-frequency pulsator. Optical crack detection allows permanent observation of fatigue crack growth and crack closure during the test. Fractographic and metallo-graphic examinations of the fracture areas as well as analyses of the damage patterns show that loads close to engine operation can be set in this way and their influences on the damage can be monitored.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation von Rissschließeffekten für Risslängen im Übergangsbereich von mikrostrukturell kurzen und mechanisch kurzen Rissen für zwei Probengeometrien. Als wichtige Bewertungsgrößen eines Ermüdungsrisses dienen die Rissöffnungsspannung und die zyklische Rissspitzenöffnung. Im ersten Teil der Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des mikrostrukturellen Einflusses in der Rissspitzenumgebung auf die Rissschließeffekte bei Risswachstum. Im hierfür verwendeten Finite-Elemente-Modell wird um die Rissspitze eines Oberflächenrisses in einer quasi unendlich ausgedehnten Platte eine zufällig angeordnete Kornstruktur erzeugt. Zur Beschreibung des mikrostrukturellen Materialverhaltens wird ein Einkristallplastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung eingesetzt. Das Werkstoffverhalten der umliegenden Platte wird mit einem in Abaqus/Standard vorhandenen homogenen von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung beschrieben. Insgesamt werden fünf unterschiedliche Mikrostrukturen simuliert und mit dem rein homogenen Werkstoff verglichen. Die zyklische Belastung erfolgt dehnungskontrolliert ohne Mitteldehnung im Modus I für zwei makroskopische Dehnungsamplituden im Bereich der Fließdehnung und deutlich oberhalb davon. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Mikrostruktur auf das Rissschließen, hervorgerufen durch unterschiedliche Kornorientierungen, Form und Größe der Körner und durch Korngrenzen. Bei niedriger Belastung zeigen die Mikrostrukturen mehr Rissschließeffekte verglichen zum homogenen Modell. Mit steigender Belastung nimmt bei allen Simulationen das Rissschließen ab. Der relevanteste Rissschließmechanismus ist das plastizitätsinduzierte Rissschließen, welches bei höherer Belastung durch Aufrauen der Rissflanken zusätzlich rauhigkeitsinduziertes Rissschließen verursacht.
Mit einem zweiten Finite-Elemente-Modell wird das Rissschließen und die Entwicklung der zyklischen Rissspitzenöffnung für den viertelskreisförmigen Riss in der dreidimensionalen Corner-Crack-Probe unter spannungskontrollierten isothermen und anisothermen TMF-Beanspruchungen untersucht. Hierfür findet ein temperaturabhängiges Abaqus/Standard von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung und Kriechansatz Anwendung. Alle Simulationen zeigen eine deutliche Beeinflussung der Bewertungsgrößen an der freien Probenoberfläche und im Probeninneren. Das Rissschließen nimmt mit steigender Belastung und mit zunehmend positiven Mittelspannungen ab. Zudem werden bei niedrigeren makroskopischen Belastungen geringere zyklische Rissspitzenöffnungen an der Probenoberfläche als in der Probenmitte beobachtet, was in direktem Zusammenhang mit dem Rissschließen steht. Die thermomechanischen Simulationen zeigen mehr Rissschließen für eine Belastung in Phase, verglichen zu einer gegenphasigen Beanspruchung.
In der heutigen Zeit sind viele Menschen von Rückenschmerzen betroffen. Besonders in der Industrie, beispielsweise im Bereich der Logistik oder der Produktion, kommt es durch die gesundheitlichen Beschwerden zu Arbeits- und Produktionsausfällen. Um den Beschwerden vorzubeugen, werden Exoskelette entwickelt, die das Muskel-Skelett-System unterstützen.
Exoskelette sind am Körper getragene Assistenzsysteme, die mechanisch auf den Körper einwirken. Insbesondere reduzieren sie den Kompressionsdruck im Bereich des unteren Rückens. In diesem Zusammenhang wird mit der vorliegenden Bachelorarbeit die Entlastung der Lendenwirbel durch den Einfluss von Exoskelett-typischen Kräften, die im Bereich des Brustkorbs und der Oberschenkel wirken, untersucht. Dabei beschränkt sich die Untersuchung auf eine Anhebung, wie beispielsweise die Anhebung einer Kiste.
Mithilfe eines markerbasierten und nicht-invasiven 3D-Aufnahmeverfahrens wird eine Hebebewegung ohne Exoskelett aufgenommen. Die experimentelle Aufnahme wird in der Software OpenSim mit einem computerbasierten Skelettmodell verknüpft. Durch das Hinzufügen von Exoskelett-typischen Kräften, die auf das Skelettmodell beim Anheben wirken, wird die Krafteinwirkung während des Tragens eines Exoskeletts simuliert. Dabei entstehen Drehmomente im unteren Rückenbereich, die in dieser Arbeit analysiert werden.
Die Auswertung des nicht-invasiven Verfahrens liefert die Erkenntnis, dass der Einsatz eines Exoskeletts beim Anheben im Bereich der Lendenwirbel zu einer Verringerung der Drehmomente und somit zu einer Verringerung der Belastung des unteren Rückens führt.
The aim of this review was to determine whether smartphone applications are reliable and valid to measure range of motion (RoM) in lower extremity joints. A literature search was performed up to October 2020 in the databases PubMed and Cochrane Library. Studies that reported reliability or validity of smartphone applications for RoM measurements were included. The study quality was assessed with the QUADAS-2 tool and baseline information, validity and reliability were extracted. Twenty-five studies were included in the review. Eighteen studies examined knee RoM, whereof two apps were analysed as having good to excellent reliability and validity for knee flexion (“DrGoniometer”, “Angle”) and one app showed good results for knee extension (“DrGoniometer”). Eight studies analysed ankle RoM. One of these apps showed good intra-rater reliability and excellent validity for dorsiflexion RoM (“iHandy level”), another app showed excellent reliability and moderate validity for plantarflexion RoM (“Coach’s Eye”). All other apps concerning lower extremity RoM had either insufficient results, lacked study quality or were no longer available. Some apps are reliable and valid to measure RoM in the knee and ankle joint. No app can be recommended for hip RoM measurement without restrictions.