15 Fakultätsübergreifend / Sonstige Einrichtung
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Item Open Access Methode zur technischen Auslegung von Vakuumgreifsystemen mit einer Mindesthaltedauer auf Basis fluidischer Untersuchungen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Straub, David; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Der Trend der Robotisierung zeigt sich unter anderem darin, dass neben den Industrierobotern, die hinter Schutzzäunen zum Einsatz kommen, immer mehr Roboter für kollaborative Anwendungen herangezogen werden. Da ein großer Teil aller Industrieroboter für Handhabungsaufgaben verwendet wird, entstehen durch den schutzzaunlosen Betrieb der Roboter neue Herausforderungen für die Auslegung von für diese Handhabungsaufgaben verwendeten Greifsysteme. Sicherheitseinrichtungen formschlüssiger mechanischer Greifsysteme sind bekannt, wirken sich jedoch aufgrund der mit dem umschließenden Griff einhergehenden vergrößerten äußeren Abmaße nachteilig auf den Handhabungsvorgang aus. Vakuumgreifsysteme sind hier infolge des einseitigen Griffs im Vorteil, verfügen dadurch jedoch über keine Sicherheitseinrichtungen, die einen Verlust des Werkstücks bei Auftreten eines Energieausfalls, zumindest temporär, verhindern. Um diesen Zielkonflikt zu lösen, wird in dieser Arbeit eine Methode für die technische Auslegung von Vakuumgreifsystemen mit einer Mindesthaltedauer auf Basis fluidischer Untersuchungen entwickelt. Die dafür relevanten fluidischen Vorgänge, insbesondere die Leckage, werden ausführlich untersucht. Die entwickelte Methode nutzt die Kenntnisse der Leckage eines Referenzsystems und erlaubt es, Aussagen darüber zu treffen, wie sich Anpassungen des Referenzsystems an die jeweilige Handhabungsaufgabe auf die Haltedauer des Werkstücks auswirken. Durch die Methode ist es daher möglich, aufbauend auf dem bekannten Vorgehen zur Auslegung von Vakuumgreifsystemen zur Aufbringung einer erforderlichen Mindestgreifkraft, eine zusätzliche Auslegung zur Erreichung einer Mindesthaltedauer im Auftreten eines Energieausfalls durchzuführen.Item Open Access Hochauflösende Beschleunigungssensoren mit Tunnelstrecke(2000) Strobelt, Tilo; Sandmaier, Hermann (Prof. Dr.-Ing.)Ziel der Arbeit ist es, alle zur Konstruktion von hochauflösenden Beschleunigungssensoren mit Tunnelstrecke erforderlichen theoretischen Grundlagen zur Verfügung zu stellen und deren Anwendbarkeit an Hand des Entwurfes und der Realisierung eines Sensors nachzuweisen. Wesentliche Themen des theoretischen Teiles der Arbeit sind hierbei: die Beschreibung der Funktion einer Tunnelstrecke sowie die Herleitung der Rauschanteile, welche die Auflösung von Beschleunigungssensoren beschränken. Es wird deutlich, dass die hohe Auflösung des Tunneleffektes den Einsatz einer aktiven Regelung und hochempfindlicher Stellelemente erforderlich macht. Vergleicht man alle in Beschleunigungssensoren auftretenden Rauschquellen, so stellt man fest, daß die Nachweisgrenze hochauflösender Beschleunigungssensoren vom thermische Rauschen des Feder-Masse-Systems bestimmt wird. Auf den hergeleiteten konstruktiven Grundlagen aufbauend, wird anschließend die Entwicklung eines Sensors mit einer Nachweisgrenze von 1E-6 g (g= Erdbeschleunigung) beschrieben. Hierbei wird die mikrotechnischen Konstruktion dargestellt und ausführlich auf die Entwicklung der erforderlichen Sensorelektronik eingegangen. Um die elektronische Regelung geeignet auslegen und optimieren zu können, wurde das dynamische Verhalten des Gesamtsystems analytisch beschrieben. Die geeignete Wahl der Parameter wurde mit Hilfe eines numerischen Modells des Gesamtsystems nochmals überprüft. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ferner ein Messplatz entwickelt, auf dem die Beschleunigungssensoren nach ihrer Fertigstellung charakterisiert worden sind. Erstmalig wurde es so möglich, derartige Sensoren direkt an ihrer Auflösungsgrenze zu vermessen. Die dem Rauschen äquivalente Beschleunigung wird mit ca. 2.5E-6 g gemessen, stimmt also mit den theoretischen Vorhersagen gut überein.Item Open Access Mehrskalige Simulation von synthetischem Filtermaterial im rotativen Verarbeitungsprozess(2023) Höss, Kai; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c.)Die vorliegende Arbeit erforscht simulativ das elastisch-plastische Verformungsverhalten von Polymerfaser-basierten Filtermedien im rotativen Verarbeitungsprozess. Die Berücksichtigung des anisotropen Materialverhaltens des Fasernetzwerks unter Zug, Druck und Schub ist hierbei essenziell. Eine 3D-Materialprüfungsreihe charakterisiert das Materialverhalten des porösen und faserigen Materials und dient dazu, erstmals das elastisch-plastische Verformungsverhalten von Filtermedien in allen drei Raumrichtungen und unter den Hauptlastfällen Zug, Druck und Schub umfassend zu untersuchen. Nach der Materialcharakterisierung wird ein robustes Mikrostruktursimulationsmodell entwickelt, das die Vorhersage des elastisch-plastischen Verhaltens von polymerbasierten Filtermedien ermöglicht. Besonderes Augenmerk liegt auf der Mikrostrukturanalyse und der Auswahl repräsentativer Volumenelemente. Das Modell wird anhand von Materialprüfungsergebnissen validiert. Die Mikrostruktursimulation liefert Erkenntnisse über die effektiven mechanischen Eigenschaften, die in einer Prozesssimulation des rotativen Verarbeitungsprozesses auf der Kontinuumsebene genutzt werden.Item Open Access Beitrag zur Entwicklung eines energieeffizienten Elektrolyseverfahrens für Neodym in geschmolzenen Chloriden(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2021) Öhl, Johannes; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Neodym ist ein Hauptbestandteil von Neodym-Eisen-Bor-Magneten, den derzeit leistungsfähigsten Magneten. Diese sind essenziell für Hochtechnologieanwendungen wie Elektrofahrzeuge, Windkraftanlagen und IT-Bauteilen. Da Neodym wie alle anderen Seltenerdmetalle größtenteils in China produziert wird, müssen in Europa neue Quellen für Neodym erschlossen werden, um die Importabhängigkeit zu mindern. Der nachhaltigste Weg ist das Recycling von End-of-Life Magneten. Mehrere Verfahren wurden bereits getestet, besonders bei der Umwandlung von Neodymsalzen in metallisches Neodym besteht jedoch noch großer Forschungsbedarf. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit der Entwicklung eines nachhaltigen Elektrolyseprozesses zur Neodymgewinnung. Um den Energieverbrauch in der Elektrolyse möglichst gering zu halten, wurde eine Schmelze aus Kaliumchlorid, Lithiumchlorid und Neodymchlorid bei ca. 500 °C als Elektrolyt verwendet, statt über 1000 °C in der industriellen Anwendung. In den Experimenten stellte sich heraus, dass die Abscheidung von Neodym auf einer inerten Wolframkathode nicht ohne weiteres möglich ist. Es entsteht stattdessen feinkristallines Neodym-Metall innerhalb des Elektrolyten, das nicht extrahiert werden kann. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde daher der Mechanismus der Abscheidung aufgeklärt und gezeigt, dass die Elektrolyseergebnisse maßgeblich durch Neodym-Intermediate beeinflusst wird. Mit diesen Erkenntnissen ist eine gezielte Weiterentwicklung der Elektrolyse möglich, um Neodym bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zu gewinnen.Item Open Access Automatisierte Erstellung von Verhaltensmodellen für Digitale Zwillinge : neue Ansätze und Modelle am Beispiel der Vakuum-Handhabungstechnik(2024) Stegmaier, Valentin; Michael Weyrich (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Produktionsstandorte in Hochlohnregionen wie Europa oder Nordamerika geraten durch verschiedene Faktoren der Weltwirtschaft zunehmend unter Druck. Eine Möglichkeit, diesem Druck entgegenzuwirken und solche Produktionsstandorte weiterhin wirtschaftlich betreiben zu können, ist die zunehmende Automatisierung und Digitalisierung. Der Digitale Zwilling ist eine Schlüsselkomponente auf dem Weg zu digitalen und hochautomatisierten Produktionssystemen. Eine durchgängig verfügbare digitale Repräsentation physischer Assets kann Kosten und Zeit sparen, sowohl bei Design, Entwicklung und Inbetriebnahme als auch beim Betrieb von Produktionsanlagen. Dies gilt auch für Komponentenhersteller, die häufig hochspezialisierte Komponenten und Systeme für Produktionsanlagen entwickeln, herstellen und vertreiben. Für Komponentenhersteller sind dabei die Verhaltensmodelle in prozessrelevanter Modellierungstiefe aus dem Digitalen Zwilling von zentraler Bedeutung. Die Erstellung dieser Verhaltensmodelle ist jedoch sehr zeitintensiv und erfordert häufig die Expertise von langjährig ausgebildeten Simulationsexperten. Dies stellt eine wesentliche Hürde für den durchgängigen Einsatz von Verhaltensmodellen und Digitalen Zwillingen bei Komponentenherstellern dar. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines Konzepts zur durchgängig automatisierten Erstellung von Verhaltensmodellen für Komponenten und Systeme in prozessrelevanter Modellierungstiefe. Das entwickelte Konzept ermöglicht die automatisierte Erstellung von Verhaltensmodellen für Komponenten und Systeme auf Basis geeigneter Eingangsinformationen. Die Verhaltensmodelle können entweder sehr detailliert oder in einer geringeren Modellierungstiefe vollautomatisiert erstellt werden. Hierfür wird eine Verhaltensmodellbibliothek mit Verhaltensmodellen der relevanten Komponenten in großer Modellierungstiefe verwendet. Um die Erstellung dieser zu vereinfachen, wurde das Konzept um eine Möglichkeit zur assistierten Erstellung der Verhaltensmodellbibliothek aus Grundbausteinen erweitert. Die Strukturinformationen können aus verschiedenen Quellen stammen, einschließlich Fluidschaltplänen wahlweise in Papier- oder digitaler Form. Das Konzept wird zunächst in der Domäne Vakuum-Handhabungstechnik realisiert. Für eine vollständige Realisierung und Evaluierung des Konzepts sind Grundbausteine aller relevanten Komponenten der Domäne erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit werden die noch nicht verfügbaren Verhaltensmodelle der Basiskomponenten Vakuumerzeuger und Vakuumsauggreifer entwickelt und abschließend mit Messdaten evaluiert. Es konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem simulierten und gemessenen Verhalten der entwickelten Grundbausteine festgestellt werden. Die vorgestellten Artefakte des Konzepts werden in Form eines Assistenzsystems realisiert. Dieses ermöglicht die aufwandsarme Erstellung der Verhaltensmodellbibliothek sowie die automatisierte Erstellung von Verhaltensmodellen von Komponenten und Systemen in prozessrelevanter Modellierungstiefe. Zudem ermöglicht es die automatisierte Ausführung der Verhaltensmodelle. Eine Evaluierung konnte anhand von zwei Evaluierungsfällen aus der Vakuum-Handhabungstechnik durchgeführt werden, in denen Verhaltensmodelle unter anderem in der virtuelle Produktauslegung und Optimierung sowie für die virtuelle Inbetriebnahme genutzt werden, um bessere und effizientere Systeme kostengünstiger und schneller zu entwerfen. Die Ergebnisse zeigen, dass die automatisiert erstellten Verhaltensmodelle je nach Modellierungstiefe sehr genau mit den gemessenen Verläufen übereinstimmen. Um die Zeitersparnis zu quantifizieren, ist ein Experten-Benchmark auf Basis der Systeme der beiden Evaluierungsfälle durchgeführt worden. Verglichen mit den Zeiten zur Erstellung, Parametrierung und Abstraktion aus dem Experten-Benchmark ermöglich das Assistenzsystem eine Zeitersparnis von bis zu einem Faktor von 54.