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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.
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 development of new processes and materials for additive manufacturing is currently progressing rapidly. In order to use the advantages of additive manufacturing, however, product development and design must also be adapted to these new processes. Therefore it is suitable to use structural optimization. To achieve the best results in lightweight design, it is important to have an approach that reduces the volume in the unloaded regions and considers the restrictions and characteristics of the additive manufacturing process. In this contribution, a case study using a humanoid robot is presented. Thus, the pelvis module of a humanoid robot is optimized regarding its weight and stiffness. Furthermore, an integrated design is implemented in order to reduce the number of parts and the screw connections. The manufacturing uses a new aluminum-based material that has been specially developed for use in additive manufacturing and lightweight construction. For the additive manufacturing by means of the Selective Laser Melting (SLM) process, different restrictions and the assembly concepts of the humanoid robot have to be taken into account. These restrictions have to be considered in the setting of the individual parameters and target functions of the structural optimization. As a result, a framework is presented that shows the steps of the redesign and the optimization of the pelvis module. In order to achieve high accuracy with the product, the redesign of the pelvis module is demonstrated with regard to mechanical and thermal postprocessing. Finally, the redesigned part and the different assembly concepts are compared to analyze the economic and technical effects of the optimization.
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 ability to change aerodynamic parameters of airfoils during flying can potentially save energy as well as reducing the noise made by the unmanned aerial vehicles (UAV) because of sharp edges of the airfoil and its rudders. In this paper, an approach for the design of an adaptive wing using a multi-material 3D printer is shown. In multi-material 3D printing, up to six different materials can be combined in one component. Thus, the user can determine the mixture and the spatial arrangement of this “digital material” in advance in the pre-processing software. First, the theoretical benefits of adaptive wings are shown, and already existing adaptive wings and concepts are explicated within a literature review. Then the additive manufacturing process using photopolymer jetting and its capabilities to print multiple materials in one part are demonstrated. Within the scope of a case study, an adaptive wing is developed and the necessary steps for the product development and their implementation in CAD are presented. This contribution covers the requirements for different components and sections of an adaptive wing designed for additive manufacturing using multiple materials as well as the single steps of development with its different approaches until the final design of the adaptive wing. The developed wing section is simulated, and qualitative tests in a wind tunnel are carried out with the wing segment. Finally, the additively manufactured wing segment is evaluated under technical and economic aspects.
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.
In 4D printing, an additively manufactured component is given the ability to change its shape or function in an intended and useful manner over time. The technology of 4D printing is still in an early stage of development. Nevertheless, interesting research and initial applications exist in the literature. In this work, a novel methodical approach is presented that helps transfer existing 4D printing research results and knowledge into solving application tasks systematically. Moreover, two different smart materials are analyzed, used, and combined following the presented methodical approach to solving the given task in the form of recovering an object from a poorly accessible space. This is implemented by self-positioning, grabbing, and extracting the target object. The first smart material used to realize these tasks is a shape-memory polymer, while the second is a polymer-based magnetic composite. In addition to the presentation and detailed implementation of the methodical approach, the potentials and behavior of the two smart materials are further examined and narrowed down as a result of the investigation. The results show that the developed methodical approach contributes to moving 4D printing closer toward a viable alternative to existing technologies due to its problem-oriented nature.
Additive manufacturing is a rapidly growing manufacturing process for which many new processes and materials are currently being developed. The biggest advantage is that almost any shape can be produced, while conventional manufacturing methods reach their limits. Furthermore, a lot of material is saved because the part is created in layers and only as much material is used as necessary. In contrast, in the case of machining processes, it is not uncommon for more than half of the material to be removed and disposed of. Recently, new additive manufacturing processes have been on the market that enables the manufacturing of components using the FDM process with fiber reinforcement. This opens up new possibilities for optimizing components in terms of their strength and at the same time increasing sustainability by reducing materials consumption and waste. Within the scope of this work, different types of test specimens are to be designed, manufactured and examined. The test specimens are tensile specimens, which are used both for standardized tensile tests and for examining a practical component from automotive engineering used in student project. This project is a vehicle designed to compete in the Shell Eco-marathon, one of the world’s largest energy efficiency competitions. The aim is to design a vehicle that covers a certain distance with as little fuel as possible. Accordingly, it is desirable to manufacture the components with the lowest possible weight, while still ensuring the required rigidity. To achieve this, the use of fiber-reinforced 3D-printed parts is particularly suitable due to the high rigidity. In particular, the joining technology for connecting conventionally and additively manufactured components is developed. As a result, the economic efficiency was assessed, and guidelines for the design of components and joining elements were created. In addition, it could be shown that the additive manufacturing of the component could be implemented faster and more sustainably than the previous conventional manufacturing.
Passive hybridization of battery cell and photovoltaic cell: modeling and experimental validation
(2017)
In dieser Bachelor-Thesis wird ein Verfahren zur Realisierung einer Glanzchrom-Optik auf additiv gefertigten Prototypen gesucht und projiziert. Dabei wird eine methodische Vorgehensweise zur Findung einer Lösung aufgezeigt. Es werden unterschiedliche Beschichtungsverfahren, die der momentane Stand der Technik zu bietet hat, auf ihre Tauglichkeit untersucht. Getestet wird dabei die Tauglichkeit von Leitlack, oder einer gesputterten Kupferschicht mit einem galvanischen Chrom, dem bedampfen mit Aluminium und der Reduktion von Silbernitrat. Die dabei erforderlichen Kriterien werden durch hauseigene Normen, sowie einen selbsterstellten Anforderungskatalog definiert. Das Ziel soll sein, eine kostengünstige, flexible Lösung zu finden, um zum einen von Dienstleistern unabhängig zu sein und zum anderen die Abteilung zu entlasten, in der spanend gefertigt wird. Bei den additiv gefertigten Prototypen handelt es sich um Anschauungsmuster für Besprechungen mit Designern und Konstrukteuren. Es werden keine Produkte für den Handel hergestellt.
Background/Purpose
Several methods are used to evaluate the outcome of total hip arthroplasty (THA), however, their relationship at different time points after surgery is unclear. The purpose of this exploratory study was to investigate correlations between self-report function, performance-based tests (PBTs) and biomechanical parameters in patients 12 months after THA.
Methods
Eleven patients were included in this preliminary cross-sectional study. Hip disability and Osteoarthritis Outcome Score (HOOS) was completed for self-reported function. As PBTs, the Timed-up-and-Go test (TUG) and 30-Second-Chair-Stand test (30CST) were used. Biomechanical parameters were derived from analyses of hip strength, gait and balance. Potential correlations were calculated using Spearman correlation coefficient r.
Results
HOOS scores and parameters of PBTs showed moderate to strong correlations (0.3 < r < 0.7). Correlation analysis between HOOS scores and biomechanical parameters revealed moderate to strong correlations for hip strength whereas correlations with gait parameters and balance were rather weak (r < 0.3). Moderate to strong correlations were also found between parameters of hip strength and 30CST.
Conclusion
For THA outcome assessment 12 months after surgery, our first results indicate that self-report measures or PBTs could be used. Analysis of hip strength also appears to be reflected in HOOS and PBT parameters and may be considered as an adjunct. Given the weak correlations with gait and balance parameters, we suggest that gait analysis and balance testing should be performed in addition to PROMs and PBTs as they may provide supplementary information, especially for THA patients that are at risk for falls.
Warmumformwerkzeuge unterliegen während des Betriebes komplexen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. In kritischen Bereichen können dadurch lokal Spannungen entstehen, die die Fließgrenze überschreiten. Bei der Serienproduktion führt dies zu zyklischen plastischen Verformungen und zur thermomechanischen Ermüdung, welche die Lebensdauer der Warmumformwerkzeuge maßgeblich bestimmen kann. Zur Bewertung der thermomechanischen Ermüdung der Warmumformwerkzeuge gibt es jedoch heute keine etablierten Konzepte, da dieser Aspekt erst durch die Notwendigkeit einer höheren Ressourcen- und Energieeffizienz und optimierter Produktionsprozesse (beispielsweise im Rahmen von Industrie 4.0) eine höhere Aufmerksamkeit erreicht. In dieser Arbeit wird zum einen die aktuell industriell angewandte Vorgehensweise zur Auslegung von Warmumformwerkzeugen hinsichtlich der Lebensdauer erläutert. Des Weiteren wird ein Überblick über existierende Plastizitätsmodelle und Lebensdauermodelle gegeben. Dabei wird zwischen rein phänomenologischen und mechanismenbasierten Modellen unterschieden. Aus der betriebenen Recherche wird ersichtlich, dass weiterer Forschungsbedarf auf diesem Gebiet notwendig ist.
Hot work tools are subjected to complex thermal and mechanical loads during hot forming processes. Locally, the stresses can exceed the material’s yield strength in highly loaded areas as e.g. in small radii in die cavities. To sustain the high loads, the hot forming tools are typically made of martensitic hot work steels. While temperatures for annealing of the tool steels usually lie in the range between 400 and 600 °C, the steels may experience even higher temperatures during hot forming, resulting in softening of the material due to coarsening of strengthening particles. In this paper, a temperature dependent cyclic plasticity model for the martensitic hot work tool steel 1.2367 (X38CrMoV5-3) is presented that includes softening due to particle coarsening and that can be applied in finite-element calculations to assess the effect of softening on the thermomechanical fatigue life of hot work tools. To this end, a kinetic model for the evolution of the mean size of secondary carbides based on Ostwald ripening is coupled with a cyclic plasticity model with kinematic hardening. Mechanism-based relations are developed to describe the dependency of the mechanical properties on carbide size and temperature. The material properties of the mechanical and kinetic model are determined on the basis of tempering hardness curves as well as monotonic and cyclic tests.
In this paper, the temperature dependent cyclic mechanical properties of the martensitic hot work tool steel 1.2367 after tempering are investigated. To this end, hardness measurements as well as monotonic and cyclic tests at temperatures in the range from room temperature to 650 °C are performed on material tempered for different tempering times and temperatures. To describe the observed time and temperature dependent softening during tempering a kinetic model for the evolution of the mean size of secondary carbides based on Ostwald ripening is developed. Furthermore, mechanism-based as well as phenomenological relations for the cyclic mechanical properties of the Ramberg-Osgood model depending on carbide size and temperature are introduced. A good overall agreement of the measured and the calculated stress-strain hysteresis loops for different temperatures and heat treatments is obtained using the determined material properties of the kinetic and mechanical model.
Hot working tools are subjected to complex thermal and mechanical loads during service. Locally, the stresses can exceed the material’s yield strength in highly loaded areas. During production, this causes cyclic plastic deformation and thus thermomechanical fatigue, which can significantly shorten the lifetime of hot working tools. To sustain this high loads, the hot working tools are typically made of tempered martensitic hot work tool steels. While the annealing temperatures of the tool steels usually lie in the range of 400 to 600 °C, the steels may experience even higher temperatures during hot working, resulting in softening of the material due to changes in microstructure. Therefore, the temperature-dependent cyclic mechanical properties of the frequently used hot work tool steel 1.2367 (X38CrMoV5-3) after tempering are investigated in this work. To this end, hardness measurements are performed. Furthermore, the Institute of Forming Technology and Machines (IFUM) provides test results from cyclic tests at temperatures ranging from 20 °C (room temperature) to 650 °C. To describe the observed time- and temperature-dependent softening during tempering, a kinetic model for the evolution of the mean size of secondary carbides based on Ostwald ripening is developed. In addition, both mechanism-based and phenomenological relationships for the cyclic mechanical properties of the Ramberg- Osgood model depending on carbide size and temperature are proposed. The stress-strain hysteresis loops measured at different temperatures and after different heat treatments can be well described with the proposed kinetic and mechanical model. Furthermore, the model is suitable for integration in advanced mechanism-based lifetime models. However, since the Ramberg-Osgood model is not suitable for finite element implementation, a temperature-dependent incremental cyclic plasticity model is presented as well. Thus, softening due to particle coarsening can be applied in the finite element method (FEM). Therefore, a kinetic model is coupled with a cyclic plasticity model including kinematic hardening. The plasticity model is implemented via subroutines in the finite element program ABAQUS for implicit integration (subroutine called UMAT) and explicit integration (subroutine called VUMAT). The implemented model is used for the simulation of an exemplary hot working process to assess the effects of softening due to particle coarsening. It shows that the thermal softening at high temperatures, which occur over a long time at a mechanically highly loaded area, has a great influence. If this influence is not considered in tool design, an unexpected tool failure might occur bringing the production to a standstill.
In dieser Arbeit wird eine numerische Strömungssimulation an einem Doppeldiffusor des Formula Student Rennwagens der Hochschule Offenburg durchgeführt. Das primäre Ziel der Arbeit ist die Ermittlung des Abtriebswertes des Doppeldiffusors. Weitere Aufgaben sind die Darstellung der Luftströmung und die Ermittlung der Einflussfaktoren auf den Doppeldiffusor.
Risiko und Sicherheit sind Begriffe, die nur im Zusammenhang mit dem Menschen gesehen werden können, wobei bei der Risikoabschätzung die Fragen beantwortet werden müssen, was passieren kann und was passieren darf. Ausgehend von der Vornorm DIN V 19250 wird im Detail auf folgende Punkte eingegangen: Risikoparameter, Schadensausmaß, Häufigkeit, Aufenthaltsdauer im Gefahrenbereich, Gefahrenabwendung, Eintrittswahrscheinlichkeit, Bewertung der Eintrittsmöglichkeiten von Ereignissen, Restrisikoverkleinerung, Vorhersage von Schadensereignissen einschließlich Störfallauslöser. Die Demonstration erfolgt an Beispielen aus der Chemie.
We present an improved quantification method for urethane found in spirits. The quantification is based on a derivatization reaction using cinnamaldehyde in combination with phosphoric acid. Measurements were carried out in the wavelength range from 445 to 460 nm using a diode-TLC device. An LED was used for illumination purposes. It emits very dense light at 365 nm. The quantification range of urethane is in the lower ng range. By applying 20 µL of sprits, the urethane quantification range is from 320 µg/L to 8.1 mg urethane per litre of spirit. The range of linearity covers nearly two magnitudes. The method is cheap, fast and reliable, and is able to monitor all European legislation limits without time-consuming sample pre-treatments.
BioPower
(2009)
Das Projekt BioPower ist eine Kooperation des Instituts für Angewandte Forschung (IAF) der Hochschule Offenburg mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg. Es handelt sich um den Versuch, die im Körper vorhandenen Energiequellen sozusagen direkt anzuzapfen, um sie für technische Zwecke zu nutzen. Von den vielen bestehenden Möglichkeiten konzentriert sich die Forschung hier auf die Nutzung der Glukose im Blut, die auch sonst als Energieträger zur Versorgung der Zellen im Körper dient.
Vorrichtung (2) zur Analyse von Urin, umfassend: – eine Zuführ- und Abführeinrichtung (7), welche zur Zuführung einer bestimmten Urinmenge in eine wenigstens einen Analysebereich (8) aufweisende Analysekammer (9) eines Urinteststreifens (10) und zur Abführung einer bestimmten Urinmenge aus einer wenigstens einen Analysebereich (8) aufweisenden Analysekammer (9) eines Urinteststreifens (10) eingerichtet ist, wobei die Zuführ- und Abführeinrichtung (7) wenigstens ein bewegbar gelagertes Zuführ- und/oder Abführelement (28, 29) zum Zuführen einer bestimmten Urinmenge in einen Zuführbereich (33) der Analysekammer (9) des Urinteststreifens (10) und/oder zum Abführen einer bestimmten Urinmenge aus einem Abführbereich (34) der Analysekammer (9) des Urinteststreifens (10) aufweist, und – eine Erfassungseinrichtung (11), welche zur Erfassung einer zumindest abschnittsweisen Änderung wenigstens eines optisch erfassbaren Parameters, welcher sich in Abhängigkeit der Zusammensetzung einer diesen kontaktierenden Urinmenge optisch erfassbar verändert, des oder eines entsprechenden Analysebereichs (8) des oder eines entsprechenden Urinteststreifens (10) sowie zur Erzeugung einer Erfassungsinformation, welche wenigstens einen optisch erfassten Parameter des oder eines entsprechenden Analysebereichs (8) oder eine Änderung eines solchen beschreibt, eingerichtet ist.
Vorrichtung (2) zur Analyse von Urin, umfassend: – eine Zuführ- und Abführeinrichtung (7), welche zur Zuführung einer bestimmten Urinmenge in eine wenigstens einen Analysebereich (8) aufweisende Analysekammer (9) eines Urinteststreifens (10) und zur Abführung einer bestimmten Urinmenge aus einer wenigstens einen Analysebereich (8) aufweisenden Analysekammer (9) eines Urinteststreifens (10) eingerichtet ist, wobei die Zuführ- und Abführeinrichtung (7) wenigstens ein bewegbar gelagertes Zuführ- und/oder Abführelement (28, 29) zum Zuführen einer bestimmten Urinmenge in einen Zuführbereich (33) der Analysekammer (9) des Urinteststreifens (10) und/oder zum Abführen einer bestimmten Urinmenge aus einem Abführbereich (34) der Analysekammer (9) des Urinteststreifens (10) aufweist, und – eine Erfassungseinrichtung (11), welche zur Erfassung einer zumindest abschnittsweisen Änderung wenigstens eines optisch erfassbaren Parameters, welcher sich in Abhängigkeit der Zusammensetzung einer diesen kontaktierenden Urinmenge optisch erfassbar verändert, des oder eines entsprechenden Analysebereichs (8) des oder eines entsprechenden Urinteststreifens (10) sowie zur Erzeugung einer Erfassungsinformation, welche wenigstens einen optisch erfassten Parameter des oder eines entsprechenden Analysebereichs (8) oder eine Änderung eines solchen beschreibt, eingerichtet ist.
Vorrichtung (2) zur Analyse von Urin, umfassend: – eine Zuführ- und Abführeinrichtung (7), welche zur Zuführung einer bestimmten Urinmenge in eine wenigstens einen Analysebereich (8) aufweisende Analysekammer (9) eines Urinteststreifens (10) und zur Abführung einer bestimmten Urinmenge aus einer wenigstens einen Analysebereich (8) aufweisenden Analysekammer (9) eines Urinteststreifens (10) eingerichtet ist, wobei die Zuführ- und Abführeinrichtung (7) wenigstens ein bewegbar gelagertes Zuführ- und/oder Abführelement (28, 29) zum Zuführen einer bestimmten Urinmenge in einen Zuführbereich (33) der Analysekammer (9) des Urinteststreifens (10) und/oder zum Abführen einer bestimmten Urinmenge aus einem Abführbereich (34) der Analysekammer (9) des Urinteststreifens (10) aufweist, und – eine Erfassungseinrichtung (11), welche zur Erfassung einer zumindest abschnittsweisen Änderung wenigstens eines optisch erfassbaren Parameters, welcher sich in Abhängigkeit der Zusammensetzung einer diesen kontaktierenden Urinmenge optisch erfassbar verändert, des oder eines entsprechenden Analysebereichs (8) des oder eines entsprechenden Urinteststreifens (10) sowie zur Erzeugung einer Erfassungsinformation, welche wenigstens einen optisch erfassten Parameter des oder eines entsprechenden Analysebereichs (8) oder eine Änderung eines solchen beschreibt, eingerichtet ist.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines smarten Energiekonzepts für ein Bestandsquartier in Karlsruhe
(2023)
Die Transformation der Energieversorgung in Bestandsgebäuden ist für die Erreichung der Klimaziele im Gebäudesektor entscheidend. In einem modellhaften Quartiersprojekt in Karlsruhe-Durlach wird ein ‚smartes Energiekonzept‘, bestehend aus Wärmepumpen, Blockheizkraftwerk und PV-Anlagen mit lokalem Strom- und Wärmenetz umgesetzt und messtechnisch begleitet. Ziel ist dabei eine CO2-effiziente und wirtschaftliche Bereitstellung von Wärme und Strom.
In dem Artikel wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für das Wärme- und Stromcontracting auf Basis der realen Investitionskosten sowie der gemessenen und berechneten Energieflüsse durchgeführt. Die Wärmegestehungskosten hängen neben den Investitionskosten von den energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab. Mit ansteigender CO2-Steuer werden mittelfristig Wärmegestehungskosten erreicht, die unter denen konventioneller Energiesysteme liegen. Dadurch bietet das integrierte Energiekonzept ein breites Anwendungspotenzial für städtische Bestandsquartiere außerhalb von Fernwärme-Gebieten.
The DMFC is a promising option for backup power systems and for the power supply of portable devices. However, from the modeling point of view liquid-feed DMFC are challenging systems due to the complex electrochemistry, the inherent two-phase transport and the effect of methanol crossover. In this paper we present a physical 1D cell model to describe the relevant processes for DMFC performance ranging from electrochemistry on the surface of the catalyst up to transport on the cell level. A two-phase flow model is implemented describing the transport in gas diffusion layer and catalyst layer at the anode side. Electrochemistry is described by elementary steps for the reactions occurring at anode and cathode, including adsorbed intermediate species on the platinum and ruthenium surfaces. Furthermore, a detailed membrane model including methanol crossover is employed. The model is validated using polarization curves, methanol crossover measurements and impedance spectra. It permits to analyze both steady-state and transient behavior with a high level of predictive capabilities. Steady-state simulations are used to investigate the open circuit voltage as well as the overpotentials of anode, cathode and electrolyte. Finally, the transient behavior after current interruption is studied in detail.
In order to make material design processes more efficient in the future, the underlying multidimensional process parameter spaces must be systematically explored using digitalisation techniques such as machine learning (ML) and digital simulation. In this paper we shortly review essential concepts for the digitalisation of electrodeposition processes with a special focus on chromium plating from trivalent electrolytes.
Höchste Korrosionsschutzanforderungen sind für bestimmte technische Produkte insbesondere im Offshore Anwendungsbereich, nach ISO 20340, zwingend zu erfüllen, um deren Funktion und Betriebssicherheit dauerhaft gewährleisten zu können. Bis heute werden viele dieser Produkte am Ende ihrer Wertschöpfungskette nass überlackiert, mit einer kompletten Kunststoffhaut, der Korrosionsschutz-Lackschicht, überzogen. Diese Lackierung ist unter anderem deshalb erforderlich, weil es im klassischen Maschinenbau, insbesondere in der Antriebstechnik, viele mechanische Schnittstellen gibt, die vor der endgültigen Produktmontage quasi metallisch blank bleiben müssen, um den erforderlichen und definierten geometrischen Oberflächenzustand nach Form und Lage als Pass- und Fügefläche zu gewährleisten. Eine dieser mechanischen Schnittstellen sind Schraubenverbindungen. Mit dem derzeit gültigen Regelwerk ist die Berechnung einer Schraubenverbindung mit Lackschichten in den Trennfugen oder auf der Kopf- und Mutternauflagefläche nicht möglich, da lackierte Bauteile in der derzeit geltenden VDI-Richtlinie 2230 nicht berücksichtigt sind. Nach einem Praxisbericht anhand von Stellantrieben für Industriearmaturen über deren Umstellung von Nasslackierung des Gesamtproduktes auf Pulverbeschichtung von Einzelteilen wird die experimentelle Validierung der Betriebs- und Funktionssicherheit von Schraubenverbindungen mit lackierten Bauteilen vorgestellt. Daraus resultierend wurde im März 2014 an der Hochschule Offenburg ein Forschungsprojekt gestartet, dessen Ziel es ist für die oben genannte Problemstellung einen systematischen Lösungsansatz zu erarbeiten. Künftig soll es Entwicklungsingenieuren und Konstrukteuren bereits in der Phase von Entwicklung und Konstruktion möglich sein Schraubenverbindungen mit lackierten Bauteilen zuverlässig zu berechnen und auszulegen oder diese in der Prototypenphase zuverlässig zu testen. Die letzten beiden Abschnitte geben den Lösungsansatz und den aktuellen Stand der Forschung wider.
Die Untersuchungen der Hochschule Offenburg zeigen, dass es durch organische Korrosionsschutzschichten im Kraftfluss von Schraubenverbindungen nicht zu einem verfrühten Abschalten der streckgrenzengesteuerten Schraubmontage kommt. Die fünf untersuchten Lacksysteme zeigten ein sehr unterschiedliches Reibverhalten, der Anzugsvorgang wurde jedoch zuverlässig bei Erreichen der Schraubenstreckgrenze beendet. Durch den ermittelten Drehmoment/Drehwinkelverlauf lässt sich das streckgrenzengesteuerte Anzugsverfahren als Analystetool einsetzen, wodurch für den jeweiligen Schraubfall auch Rückschlüsse auf anderen Anzugsverfahren getroffen werden können. Des Weiteren zeigte sich, dass Pulverlacksysteme widerstandsfähiger gegen die bei der Montage wirkenden Belastungen sind und eine Montage direkt auf Lack ermöglichen können.
Konstrukteure im Maschinenbau stehen häufig vor der Problemstellung, hochfest vorgespannte Schraubenverbindungen und einen durchgehenden Korrosionsschutz zu vereinen. Die einschlägigen Normen und Richtlinien bieten hierzu Stand heute keine ausreichende Hilfestellung. In diesem Beitrag werden an Versuchsblechen ermittelte Setzbeträge von maschinenbautypischen organischen Beschichtungssystemen unter Variation der Belastungshöhe und der Umgebungstemperatur präsentiert und mit in Bauteilversuchen gemessenen Vorspannkraftverlusten vergleichend bewertet.
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.
Das Projekt „Tilty“ befässt sich mit der Konstruktion eines Speed- Pedelecs. Dieses verfügt über eine Vorderachse mit 2 Rädern und Neigemechanismus. Hinten besitzt es ein Rad. Der Sitz dieses Fahrzeuges sollte ein Fahren in aufrechter Sitzhaltung ermöglichen. Dabei ist der Sitz auf derselben Höhe wie bei einem Auto, um im Straßenverkehr besser wahrgenommen werden zu können als bei einem Liegefahrrad. Ein Ziel dieser Arbeit war es, einen Sitz unter Berücksichtigung der Physiologie eines Menschen zu konstruieren. Die Position der Kurbel war ebenso ein zentrales Thema dieser Arbeit. Dabei spielte der sogenannte runde Tritt eine wichtige Rolle. Beide Komponenten mussten ebenfalls gemeinsam betrachtet werden um eine Aussage treffen zu können. Die Lenkung und damit die Position der Arme sind auch von Bedeutung. Die Konstruktion dieser Lenkung übernimmt eine Masterstudentin, daher ist die Lenkung nur ein Randthema. Eine Aussage über die Position der Arme konnte ebenfalls aufgrund der physiologischen Parameter getroffen werden.
The uncertain and time-variant nature of renewable energy results in the need to deal with peaks in the production of energy. One approach is to achieve a load shift and thereby help balancing the grid by using thermally Activated Building Systems (TABS). Control systems currently in place do not exploit the full potential of TABS. This paper reviews how Model Predictive Control can possibly reduce the fluctuations of the demand and supply of (renewable) energy as it enables the TABS to react to the dynamics of weather and its impact on the grid at any time.
Das Konzept der Thermoaktiven Bauteilsysteme (TABS) zur Heizung und Kühlung von Gebäuden gewinnt aufgrund seiner Kompatibilität mit erneuerbaren Energiequellen an Popularität. Die Steuerung von TABS und somit auch die Gewährleistung eines behaglichen Raumklimas erweist sich allerdings aufgrund der hohen Systemträgheit als komplex. Kurzfristige Witterungsänderungen sorgen für unerwünschte Raumtemperaturänderungen, die nur langsam korrigiert werden können. Bei Nichtwohngebäuden wie dem Regionalen Innovationszentrum für Energie (RIZ Energie) in Offenburg wird dieser Umstand durch die unregelmäßige Gebäudenutzung zusätzlich erschwert, da innere Wärmelasten stark variieren und nicht vorhersehbar sind.
Konventionelle TABS-Steuerungen können Störgrößen im TABS-Betrieb nur bedingt und zeitverzögert berücksichtigen, weswegen eine dauerhafte Gewährleistung des thermischen Komforts im Gebäude oft nicht erreichbar ist – dies ist auch am RIZ Energie der Fall. Als Lösung dient der Einsatz prädiktiver Steuerungsalgorithmen, die Störgrößen prognostizieren und den TABS-Betrieb dementsprechend anpassen können.
Diese Arbeit überprüft das Potenzial von intelligenten TABS-Steuerungsalgorithmen für den Einsatz am RIZ Energie anhand der Umsetzung mit einem digitalen Zwilling des Gebäudes. Dabei konnte unter Verwendung der Algorithmen und Berücksichtigung von inneren und äußeren Störgrößen im TABS-Betrieb ein verbessertes Raumklima simuliert werden. Infolgedessen konnte zudem der digitale Zwilling optimiert werden.
In dieser Bachelorarbeit wird mit Hilfe der Software RecurDyn ein generisches Simulationsmodell eines Trikes mit Neigemechanismus entwickelt. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Vorderachse des Trikes gelegt, diese wird zunächst in einem zweidimensionalen Modell erstellt und anschließend ins Dreidimensionale Modell übertragen. Die Parametrisierung erfolgt nach aktuellen Standards der Fahrzeugtechnik.
Zur Simulation sind Funktionen für den einstellbaren Neigewinkel, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und für den Lenkwinkel hinterlegt.
Außerdem werden Konzepte entwickelt, um bei Parameterstudien die Auslenkung des Federsystems in der Vorderachse, sowie den erreichbaren Lenkwinkel zu quantifizieren.
Phenolic compounds, such as flavonoids and phenolic acids, are very important substances that occur in various medicinal plants. They show different pharmacological activities which might be useful in the therapy of many diseases. Phenolic compounds have achieved an increasing interest over the last years because these compounds are easily oxidized and, thus, act as strong antioxidants. We present the chemiluminescence of different phenolic compounds measured directly on high-performance thin-layer chromatography LiChrospher® plates using the oxalic acid derivative bis(2,4,6-trichlorophenyl) oxalate (TCPO) in conjunction with H2O2. Our results indicate that chemiluminescence intensity increases with an ascending number of phenolic groups in the molecule. The method can be used to detect phenolic compounds in beverages like coffee, tea, and wine.
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.
Die Hochschule Offenburg begleitet seit Juli 2006 in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE in Freiburg und der HfT Stuttgart die solar unterstützte Klimatisierung der Festo AG & Co. KG in Esslingen. Die Anlage wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens „Solarthermie2000plus“ vom Bundesumweltministerium gefördert. Dabei wurde die bereits bestehende Adsorptionskälteanlage, die bisher mit Kompressorabwärme und Gaskesseln betrieben wurde, durch eine Solaranlage als drittem Wärmelieferanten ergänzt.
Kühlen im großen Stil
(2010)
Große Solaranlagen
(2008)
Während solare Kleinanlagen (bis 30m² Kollektorfläche) zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung weitgehend standardisiert und weit verbreitet sind, besteht bei Großanlagen, speziell bei den nicht ausschließlich zur Trinkwassererwärmung genutzten Anlagen, noch Entwicklungsbedarf. Eine Standardisierung der Anlagen ist in diesem Bereich auch nur bedingt möglich, da die Voraussetzungen für die Einbindung solcher Anlagen, insbesondere in bestehende Heizungsanlagen, sehr unterschiedlich und dementsprechend individuelle Anpassungen notwendig sind.
Trotzdem finden solare Großanlagen in vielen Fällen Anwendung. Neben der bereits erwähnten Nutzung zur Warmwasserbereitung werden sie heute auch als Kombianlagen zur zusätzlichen Heizungsunterstüzung, in Wärmenetzen, zur Kälteerzeugung mittels thermischer Kältemaschinen und zur Bereitstellung von Prozesswärme eingesetzt.
Die Anlagentypen unterscheiden sich zum einen in der hydraulischen Verschaltung und in den Bedingungen, unter denen die Solaranlage betrieben wird. Bei Trinkwasseranlagen sind zudem hygienische Vorkehrungen zu treffen, um ein Legionellenwachstum zu vermeiden. Ein bedeutender Unterschied ist außerdem das Temperaturniveau, bei dem die Solaranlagen betrieben werden müssen. Bei allen Anlagentypen sind zum Ausgleich des zeitlichen Versatzes von Solarertrag und Wärmeverbrauch Solarspeicher notwendig. Diese können bei Anlagen zur solaren Raumklimatisierung (Kühlung) kleiner ausfallen, da der größte Leistungsbedarf zeitlich nahezu mit der größten solaren Leistung zusammenfällt.
Die Hochschule Offenburg begleitet in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE in Freiburg die solar unterstützte Klimatisierung der Deutschen Telekom in Rottweil. Die Anlage wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens „Solarthermie2000plus“ vom Bundesumweltministerium gefördert. Inzwischen liegen erste Ergebnisse aus einem Langzeitmonitoring vor.