15 Fakultätsübergreifend / Sonstige Einrichtung
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Item Open Access Advances in additive friction extrusion deposition (AFED) : process and tool design(2024) Hossfeld, Max; Wright, ArnoldAdditive friction extrusion deposition (AFED) is a recently developed additive manufacturing technique that promises high deposition rates at low forces. Due to the novelty of the process, the underlying phenomena and their interactions are not fully understood, and in particular, the processing strategy and tool design are still in their infancy. This work contributes to the state-of-the-art of AFED through a comprehensive analysis of its working principles and an experimental program, including a representative sample component. The working principle and process mechanics of AFED are broken down into their individual components. The forces and their origins and effects on the process are described, and measures of process efficiency and theoretical minimum energy consumption are derived. Three geometrical features of the extrusion die were identified as most relevant to the active material flow, process forces, and deposition quality: the topography of the inner and outer circular surfaces and the geometry of its extrusion channels. Based on this, the experimental program investigated seven different tool designs in terms of efficiency, force reduction, and throughput. The experiments using AA 6061-T6 as feedstock show that AFED is capable of both high material throughput (close to 550 mm3/s) and reduced substrate forces, for example, the forces for a run at 100 mm3/s remained continuously below 500 N and for a run at 400 mm3/s below 3500 N. The material flow and microstructure of AFED were assessed from macro-sections. Significant differences were found between the advancing and retracting sides for both process effects and material flow. Banded structures in the microstructure show strong similarities to other solid-state processes. The manufacturing of the sample components demonstrates that AFED is already capable of producing industrial-grade components. In mechanical tests, interlayer bonding defects resulted in more brittle failure behavior in the build direction of the structure, whereas in the horizontal direction, mechanical properties corresponding to a T4 temper were achieved.Item Open Access Comparison of Taguchi Method and Robust Design Optimization (RDO) : by application of a functional adaptive simulation model for the robust product-optimization of an adjuster unit(2015) Kemmler, Stefan; Fuchs, Alexander; Leopold, Tobias; Bertsche, BerndCurrent research and development have been trending towards approaches based on simulation and virtual testing. Industrial development processes for complex products employ optimization methods to ensure results are close to reality, simultaneously minimizing required resources. The results of virtual testing are optimized in accordance with requirements using optimization techniques. Robust Design Optimization (RDO) is one established approach to optimization. RDO is based on the identification of an optimal parameter set which includes a small variance of the target value as a constraint. Under most circumstances, this approach does not involve separate optimization of the target value and target variance. However, the basic strategy of the optimization approach developed by Taguchi is to first optimize the parameter sets for the target value and then optimize and minimize the target variance. According to an application example , the benefit of Taguchi's approach (TM) is that it facilitates the identification of an optimal parameter set of nominal values for technical feasibility and possible manufacturing. If an optimal parameter set is determined, the variance can be minimized under consideration of process parameters. This paper examines and discusses the differences between and shared characteristics of the robust optimization methods TM and RDO, and discusses their shortcomings. In order to provide a better illustration, this paper explains and applies both methods using an adjuster unit of a commercial vehicle braking system. A simulation model is developed including an appropriate work ow by applying optiSLang-modules.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 Design and evaluation of a lidar-based feedforward controller for the INNWIND.EU 10 MW wind turbine(2015) Fürst, Holger; Schlipf, David; Iribas Latour, Mikel; Cheng, Po WenFor the development of the next generation of multi megawatt wind turbines, advanced control concepts are one of the major tasks. Reduction of fatigue and extreme loading could help to improve the overall design process and make plants more cost effective. This work deals with the application of the promising methodology of feedforward control using nacelle-based lidar sensor measurements on a 10 MW wind turbine concept. After lidar data processing has been described, the feedforward controller is designed such that disturbances from the changing wind speed to the generator speed are compensated by adding an update to the collective pitch rate signal of the normal feedback controller. The evaluation of the feedforward controller is done in two steps: Firstly, simulations using perfect lidar data measurements are applied to check the robustness of the controller against model uncertainties. After that, simulations with realistic lidar measurements are investigated. To improve control performance, the scanning configuration of the used lidar system is optimized. Over all it can be shown that lidar-assisted control leads to significant load reductions, especially in the full load region of the 10 MW turbine.Item Open Access Ermüdungsverhalten von Stahlkonstruktionen unter multiaxialer Beanspruchung durch Radlasten : ausführlicher Bericht zum Forschungsvorhaben(2016) Kuhlmann, Ulrike; Roos, Eberhard; Herion, Stefan; Euler, Mathias; Rettenmeier, Philipp; Lipp, AndreasIm Hochbau, im Kranbau und in der Fördertechnik treten durch die Bewegung von Gütern und Maschinen wandernde Einzellasten auf, die in der Regel als Radlasten auf die meist aus Stahl hergestellten Tragkonstruktionen einwirken. Die Anschlüsse und Verbindungen dieser Konstruktionen erfahren im Bereich der Radlasteinleitung einen Spannungszustand aus lokalen Druck- und Schubspannungen, die sich mit globalen Spannungen aus Trägerbiegung und Querkraftschub überlagern. Da sich dieser mehrachsige Spannungszustand bei jeder Überrollung einstellt, können Ermüdungsschäden an den Anschlüssen und Verbindungen die Folge sein. Im Gegensatz zu den alten nationalen Bemessungsregeln für Krane und Kranbahnen, die vergleichbare Berechnungs- und Festigkeitsansätze für den Ermüdungsnachweis auf Basis von Nennspannungen enthielten, unterscheiden sich die neuen europäischen Bemessungsregeln für Krane und Kranbahnen. In der Folge werden eine Reihe von Konstruktionsdetails mit Radlasteinleitung bei Kranen im Vergleich zu Kranbahnen bei baugleicher Ausführung günstiger hinsichtlich ihrer Ermüdungsfestigkeit eingestuft. Die Kerbfalleinstufung dieser Konstruktionsdetails wird dabei in allen Bemessungsnormen bislang theoretisch hergeleitet, da entsprechende Ermüdungsversuche fehlen. Der Unterschied zwischen den alten nationalen und neuen europäischen Bemessungsregeln beruht teilweise auf einer abweichenden Berücksichtigung des Einflusses der Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Verbindungen. Die europäischen Bemessungsregeln unterstellen hohe Eigenspannungen und vernachlässigen daher einen Mittelspannungseinfluss. Der Kerbfallkatalog der Bemessungsnormen ist begrenzt und enthält beispielsweise keine Einstufung für das häufig ausgeführte Konstruktionsdetail der aufgeschweißten Kranschiene mit Radlasteinleitung. Der begrenzte Kerbfallkatalog stellt für die Ermüdungsbewertung von neuartigen Konstruktionen ein Hindernis dar. Es wird ein Überblick über die bekannten Ermüdungsversuche zu den Konstruktionsdetails mit Radlasteinleitung gegeben. Die bekannten Bewertungskonzepte für Schweißverbindungen bei mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung werden vorgestellt. Der Erkenntnisstand zur Entstehung von Eigenspannungen und deren Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen wird beschrieben. Es wird ein Versuchsprogramm aus Ermüdungsversuchen an Kranbahnträgern mit aufgeschweißter Kranschiene und an einer neuartigen Kranbahnkonstruktion mit Obergurten aus Hohlprofilen unter ortsfest schwellender und überrollender Radlast entwickelt. Die Untersuchung beider Arten von Radlasten berücksichtigt, dass überrollende Radlasten zu einer nichtproportional und ortfest schwellende Radlasten zu einer proportional mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung führen. Die Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit der untersuchten Kranbahnträger erfolgt auf Basis von Nenn-, Struktur- und Kerbspannungen. Bei der Bewertung der mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung werden sowohl die klassischen Schwingfestigkeitshypothesen als auch neuere Bewertungsansätze wie die Hypothesen der kritischen Schnittebene und der integralen Anstrengung angewendet. Durch eine Schweißsimulation, die durch fertigungsbegleitende Temperaturmessungen kalibriert wird, werden für die Kranbahnträger mit aufgeschweißter Kranschiene Anhaltswerte für die Höhe der Schweißeigenspannungen als Eingangsgröße für die Ermüdungsbewertung hergeleitet.Item Open Access Comparison of linear and nonlinear model predictive control of wind turbines using LIDAR(2014) Schlipf, David; Grau, Patrick; Raach, Steffen; Duraiski, Ricardo; Trierweiler, Jorge; Cheng, Po WenRecent developments in remote sensing are offering a promising opportunity to rethink conventional control strategies of wind turbines. With technologies such as LIDAR, the information about the incoming wind field - the main disturbance to the system - can be made available ahead of time. Feedforward control can be easily combined with traditional collective pitch feedback controllers and has been successfully tested on real systems. Nonlinear model predictive controllers adjusting both collective pitch and generator torque can further reduce structural loads in simulations but have higher computational times compared to feedforward or linear model predictive controller. This paper compares a linear and a commercial nonlinear model predictive controller to a baseline controller. On the one hand simulations show that both controller have significant improvements if used along with the preview of the rotor effective wind speed. On the other hand the nonlinear model predictive controller can achieve better results compared to the linear model close to the rated wind speed.Item Open Access An adaptive data processing technique for lidar-assisted control to bridge the gap between lidar systems and wind turbines(2015) Schlipf, David; Fleming, Paul; Raach, Steffen; Scholbrock, Andrew; Haizmann, Florian; Krishnamurthy, Raghu; Boquet, Matthieu; Cheng, Po WenThis paper presents first steps toward an adaptive lidar data processing technique crucial for lidar-assisted control in wind turbines. The prediction time and the quality of the wind preview from lidar measurements depend on several factors and are not constant. If the data processing is not continually adjusted, the benefit of lidar-assisted control cannot be fully exploited or can even result in harmful control action. An online analysis of the lidar and turbine data is necessary to continually reassess the prediction time and lidar data quality. In this work, a structured process to develop an analysis tool for the prediction time and a new hardware setup for lidar-assisted control are presented. The tool consists of an online estimation of the rotor effective wind speed from lidar and turbine data and the implementation of an online cross-correlation to determine the time shift between both signals. Further, we present initial results from an ongoing campaign in which this system was employed for providing lidar preview for feedforward pitch control.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 Impact of structural flexibility on loads on tidal current turbines(2015) Arnold, Matthias; Biskup, Frank; Cheng, Po WenIn the development of tidal current turbines there are two common approaches regarding the required level of detail for load simulations. Those two are either to simulate the pressure field in detail with computational fluid dynamics (CFD) and assume a rigid geometry or to use a high fidelity structural model and simulate the hydrodynamic blade loads with the semi-empirical blade element momentum theory. Within the present research this simplification and the impact of fluid-structure-interaction (FSI) on the loads on tidal current turbines are analysed. Based on coupled CFD and multibody simulations the FSI is simulated for the Voith HyTide®1000-13 turbine. This method allows taking the detailed structure of the full turbine into account, while also simulating the detailed pressure field. Transient simulations of a representative point of operation are performed taking the structural flexibility of the tower, rotor blades, drivetrain and other components into account. This comparison is used to quantify the individual and combined effect of flexibilities on the loads and performance. Therefore, the Voith HyTide®1000-13 turbine is simulated within this research in varying levels of detail to analyse the required level of modelling detail for load simulations of tidal current turbines and increases the understanding of fluid-structure-interaction in tidal current turbine applications.Item Open Access Simulation of rotor-foundation-interaction on tidal current turbines with computational fluid dynamics(2013) Arnold, Matthias; Biskup, Frank; Matha, Denis; Cheng, Po WenIn this research the interaction of the rotor hydrodynamics with the foundation of a Tidal Energy Converter (TEC) are investigated. A detailed model of the turbine is built up and simulated with Computational Fluid Dynamics (CFD). The results of these simulations are used to compare the 4 load states of up- and downstream, below and above rated operation with respect to the rotor performance coefficients. The paper concludes with a comparison to results of simplified models and shows that the interaction can be simulated by an empirical approach.