11 Interfakultäre Einrichtungen

Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/12

Browse

Now showing 1 - 20 of 94

Open Access
Linear refractive index and absorption measurements of nonlinear optical liquids in the visible and near-infrared spectral region
(2012) Kedenburg, Stefan; Vieweg, Marius; Gissibl, Timo; Giessen, Harald
Liquid-filled photonic crystal fibers and optofluidic devices require infiltration with a variety of liquids whose linear optical properties are still not well known over a broad spectral range, particularly in the near infrared. Hence, dispersion and absorption properties in the visible and near-infrared wavelength region have been determined for distilled water, heavy water, chloroform, carbon tetrachloride, toluene, ethanol, carbon disulfide, and nitrobenzene at a temperature of 20 °C. For the refractive index measurement a standard Abbe refractometer in combination with a white light laser and a technique to calculate correction terms to compensate for the dispersion of the glass prism has been used. New refractive index data and derived dispersion formulas between a wavelength of 500 nm and 1600 nm are presented in good agreement with sparsely existing reference data in this wavelength range. The absorption coefficient has been deduced from the difference of the losses of several identically prepared liquid filled glass cells or tubes of different lengths. We present absorption data in the wavelength region between 500 nm and 1750 nm.
Open Access
Tailoring enhanced optical chirality : design principles for chiral plasmonic nanostructures
(2012) Schäferling, Martin; Dregely, Daniel; Hentschel, Mario; Giessen, Harald
Electromagnetic fields with strong optical chirality can be formed in the near-field of chiral plasmonic nanostructures. We calculate and visualize the degree of chirality to identify regions with relatively high values. This leads to design principles for a simple utilization of chiral fields. We investigate planar geometries which offer a convenient way to access the designated fields as well as three-dimensional nanostructures which show a very high local optical chirality.
Open Access
A physiologically based, multi-scale model of skeletal muscle structure and function
(2012) Röhrle, Oliver; Davidson, John B.; Pullan, Andrew J.
Models of skeletal muscle can be classified as phenomenological or biophysical. Phenomenological models predict the muscle’s response to a specified input based on experimental measurements. Prominent phenomenological models are the Hill-type muscle models, which have been incorporated into rigid-body modeling frameworks, and three-dimensional continuum-mechanical models. Biophysically based models attempt to predict the muscle’s response as emerging from the underlying physiology of the system. In this contribution, the conventional biophysically based modeling methodology is extended to include several structural and functional characteristics of skeletal muscle. The result is a physiologically based, multi-scale skeletal muscle finite element model that is capable of representing detailed, geometrical descriptions of skeletal muscle fibers and their grouping. Together with a well-established model of motor-unit recruitment, the electro-physiological behavior of single muscle fibers within motor units is computed and linked to a continuummechanical constitutive law. The bridging between the cellular level and the organ level has been achieved via a multi-scale constitutive law and homogenization. The effect of homogenization has been investigated by varying the number of embedded skeletal muscle fibers and/or motor units and computing the resulting exerted muscle forces while applying the same excitatory input. All simulations were conducted using an anatomically realistic finite element model of the tibialis anterior muscle. Given the fact that the underlying electro-physiological cellular muscle model is capable of modeling metabolic fatigue effects such as potassium accumulation in the T-tubular space and inorganic phosphate build-up, the proposed framework provides a novel simulation-based way to investigate muscle behavior ranging from motor-unit recruitment to force generation and fatigue.
Open Access
Formation of chiral fields in a symmetric environment
(2012) Schäferling, Martin; Yin, Xinghui; Giessen, Harald
Chiral fields, i. e., electromagnetic fields with nonvanishing optical chirality, can occur next to symmetric nanostructures without geometrical chirality illuminated with linearly polarized light at normal incidence. A simple dipole model is utilized to explain this behavior theoretically. Illuminated with circularly polarized light, the chiral near-fields are still dominated by the distributions found for the linear polarization but show additional features due to the optical chirality of the incident light. Rotating the angle of linear polarization introduces more subtle changes to the distribution of optical chirality. Using our findings, we propose a novel scheme to obtain chiroptical far-field response using linearly polarized light, which could be utilized for applications such as optical enantiomer sensing.
Open Access
Long-term stability of capped and buffered palladium-nickel thin films and nanostructures for plasmonic hydrogen sensing applications
(2013) Strohfeldt, Nikolai; Tittl, Andreas; Giessen, Harald
One of the main challenges in optical hydrogen sensing is the stability of the sensor material. We found and studied an optimized material combination for fast and reliable optical palladium-based hydrogen sensing devices. It consists of a palladium-nickel alloy that is buffered by calcium fluoride and capped with a very thin layer of platinum. Our system shows response times below 10 s and almost no short-term aging effects. Furthermore, we successfully incorporated this optimized material system into plasmonic nanostructures, laying the foundation for a stable and sensitive hydrogen detector.
Open Access
Modeling the chemoelectromechanical behavior of skeletal muscle using the parallel open-source software library OpenCMISS
(2013) Heidlauf, Thomas; Röhrle, Oliver
An extensible, flexible, multiscale and multiphysics model for non-isometric skeletal muscle behavior is presented. The skeletal muscle chemoelectromechanical model is based on a bottom-up approach modeling the entire excitation-contraction pathway by strongly coupling a detailed biophysical model of a half-sarcomere to the propagation of action potentials along skeletal muscle fibers, and linking cellular parameters to a transversely isotropic continuum-mechanical constitutive equation describing the overall mechanical behavior of skeletal muscle tissue. Since the multiscale model exhibits separable time scales, a special emphasis is placed on employing computationally efficient staggered solution schemes. Further, the implementation builds on the open-source software library OpenCMISS and uses state-ofthe-art parallelization techniques taking advantage of the unique anatomical fiber architecture of skeletal muscles. OpenCMISS utilizes standardized data structures for geometrical aspects (FieldML) and cellular models (CellML). Both standards are designed to allow for a maximum on flexibility, reproducibility, and extensibility. The results demonstrate the model´s capability of simulating different aspects of non-isometric muscle contraction and to efficiently simulate the chemoelectromechanical behavior in complex skeletal muscles such as the tibialis anterior muscle.
Open Access
A multiscale chemo-electro-mechanical skeletal muscle model to analyze muscle contraction and force generation for different muscle fiber arrangements
(2014) Heidlauf, Thomas; Röhrle, Oliver
The presented chemo-electro-mechanical skeletal muscle model relies on a continuum-mechanical formulation describing the muscle's deformation and force generation on the macroscopic muscle level. Unlike other three-dimensional models, the description of the activation-induced behavior of the mechanical model is entirely based on chemo-electro-mechanical principles on the microscopic sarcomere level. Yet, the multiscale model reproduces key characteristics of skeletal muscles such as experimental force-length and force-velocity data on the macroscopic whole muscle level. The paper presents the methodological approaches required to obtain such a multiscale model, and demonstrates the feasibility of using such a model to analyze differences in the mechanical behavior of parallel-fibered muscles, in which the muscle fibers either span the entire length of the fascicles or terminate intrafascicularly. The presented results reveal that muscles, in which the fibers span the entire length of the fascicles, show lower peak forces, more dispersed twitches and fusion of twitches at lower stimulation frequencies. In detail, the model predicted twitch rise times of 38.2 ms and 17.2 ms for a 12 cm long muscle, in which the fibers span the entire length of the fascicles and with twelve fiber compartments in series, respectively. Further, the twelve-compartment model predicted peak twitch forces that were 19 % higher than in the single-compartment model. The analysis of sarcomere lengths during fixed-end single twitch contractions at optimal length predicts rather small sarcomere length changes. The observed lengths range from 75 to 111 % of the optimal sarcomere length, which corresponds to a region with maximum filament overlap. This result suggests that stability issues resulting from activation-induced stretches of non-activated sarcomeres are unlikely in muscles with passive forces appearing at short muscle length.
Open Access
Kontextszenarien der deutschen Energiewende : eine Datenerhebung zur Analyse gesellschaftlich-politischer Rahmenbedingungen einer sozio-technischen Transformation
(2015) Weimer-Jehle, Wolfgang; Prehofer, Sigrid; Hauser, Wolfgang
Dieser Bericht beschreibt eine Expertenerhebung zum sozio-technischen Kontext der deutschen Energiewende und stellt ausgewählte Ergebnisse vor. Wesentliche sozio-technische Treiber des Energiesystems und dessen Entwicklung wurden identifiziert sowie alternative Zukünfte für jeden Treiber auf Basis von Literaturanalyse und Expertenbefragungen abgeleitet. Die wechselseitigen Beziehungen zwischen den möglichen Zukünften der Treiber wurden in einer Reihe von Experteninterviews unter Verwendung der Cross-Impact Bilanz Analyse abgeschätzt. Eine vorläufige Evaluation der Rohdaten ergab insgesamt 565 konsistente Kontextszenarien. Bevor jedoch endgültige Ergebnisse abgeleitet werden können, ist eine weitere Konsolidierung der Daten notwendig.
Open Access
Modell zum maschinellen Lernen von Wirkzusammenhängen bei der Holzverarbeitung auf Basis von online-erfassten Werkzeugmaschinendaten
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Lenz, Jürgen Herbert; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Aufgrund des immer härter werdenden globalen Wettbewerbs müssen produzierende Unternehmen, die auch in der Zukunft profitabel produzieren wollen, ihre Leistungsreserven nutzten. Die Möbelfertigung, die größte holzverarbeitende Industrie, besteht im Hauptprozess aus dem Fräsen von Holzwerkstoffen. Hierbei gibt es Leistungsreserven in der Einsatzplanung der Fräswerkzeuge. Gute Einsatzplanung ist die Voraussetzung für eine hohe Verfügbarkeit des Produktionssystems. Die Einsatzplanung wird durch Entwicklungen wie individuelle Möbelstücke, kleinere Losgrößen und neue Schneidstoffe erschwert. Die Herausforderung der Planungsunsicherheit beim Werkzeugeinsatz in der Holzbearbeitung wächst zusätzlich durch die größere Anzahl an industriell hergestellten Holzwerkstoffen mit jeweils unterschiedlicher Abrasivität. Dadurch wird die Bestimmung der Reststandzeit eines Werkzeuges erschwert. Zielsetzung dieser Arbeit ist die Planungssicherheit des Werkzeugeinsatzes durch eine exakte Planung des Werkzeugwechselfensters sowie durch Prognose der Reststandzeit zu erhöhen. Mithilfe dieser Prognose kann das gesamte Standvermögen des Werkzeuges verwendet werden. Das führt dazu, dass die Verfügbarkeit des Produktionssystems erhöht wird, da durch das Überschreiten der Werkzeugeinsatzgrenze bedingte Stillstände vermieden werden. Hierfür wurde ein Modell erstellt, das online erfasste Daten aus der Werkzeugmaschinensteuerung mit kontextbezogenen Informationen aus Datenbanken wie dem ERP-System und der Werkzeugverwaltung kombiniert. Aus diesen Informationen wird eine werkzeugspezifische Einsatzhistorie gebildet und mit gemessenen physikalischen Werten über den Werkzeugverschleiß und Kantenqualität des Werkstückes in Verbindung gebracht. Diese Verbindung von Bearbeitungshistorie und echten physikalischen Messgrößen bilden die Datenbasis für das maschinelle Lernen von Wirkzusammenhängen. Durch das Erlernen dieser Zusammenhänge kann die Reststandzeit eines Werkzeuges prognostiziert werden und somit die Planungsgenauigkeit des Werkzeugeinsatzes durch exakte Festlegung von Werkzeugwechselfenstern gesteigert werden. Zur Erprobung wurde das entwickelte Modell implementiert und seine Funktionsfähigkeit anhand einer Werkstoff-/Schneidstoffpaarung validiert. Diese Erprobung zeigte dass die Wirkzusammenhänge erlernt werden können.
Open Access
Spatio-temporal and immersive visual analytics for advanced manufacturing
(2019) Herr, Dominik; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)
The increasing amount of digitally available information in the manufacturing domain is accompanied by a demand to use these data to increase the efficiency of a product’s overall design, production, and maintenance steps. This idea, often understood as a part of Industry 4.0, requires the integration of information technologies into traditional manufacturing craftsmanship. Despite an increasing amount of automation in the production domain, human creativity is still essential when designing new products. Further, the cognitive ability of skilled workers to comprehend complex situations and solve issues by adapting solutions of similar problems makes them indispensable. Nowadays, customers demand highly customizable products. Therefore, modern factories need to be highly flexible regarding the lot size and adaptable regarding the produced goods, resulting in increasingly complex processes. One of the major challenges in the manufacturing domain is to optimize the interplay of human expert knowledge and experience with data analysis algorithms. Human experts can quickly comprehend previously unknown patterns and transfer their knowledge and gained experience to solve new issues. Contrarily, data analysis algorithms can process tasks very efficiently at the cost of limited adaptability to handle new situations. Further, they usually lack a sense of semantics, which leads to a need to combine them with human world knowledge to assess the meaningfulness of such algorithms’ results. The concept of Visual Analytics combines the advantages of the human’s cognitive abilities and the processing power of computers. The data are visualized, allowing the users to understand and manipulate them interactively, while algorithms process the data according to the users’ interaction. In the manufacturing domain, a common way to describe the different states of a product from the idea throughout the realization until the product is disposed is the product lifecycle. This thesis presents approaches along the first three phases of the lifecycle: design, planning, and production. A challenge that all of the phases face is that it is necessary to be able to find, understand, and assess relations, for example between concepts, production line layouts, or events reported in a production line. As all phases of the product lifecycle cover broad topics, this thesis focuses on supporting experts in understanding and comparing relations between important aspects of the respective phases, such as concept relationships in the patent domain, as well as production line layouts, or relations of events reported in a production line. During the design phase, it is important to understand the relations of concepts, such as key concepts in patents. Hence, this thesis presents approaches that help domain experts to explore the relationship of such concepts visually. It first focuses on the support of analyzing patent relationships and then extends the presented approach to convey relations about arbitrary concepts, such as authors in scientific literature or keywords on websites. During the planning phase, it is important to discover and compare different possibilities to arrange production line components and additional stashes. In this field, the digitally available data is often insufficient to propose optimal layouts. Therefore, this thesis proposes approaches that help planning experts to design new layouts and optimize positions of machine tools and other components in existing production lines. In the production phase, supporting domain experts in understanding recurring issues and their relation is important to improve the overall efficiency of a production line. This thesis presents visual analytics approaches to help domain experts to understand the relation between events reported by machine tools and comprehend recurring error patterns that may indicate systematic issues during production. Then, this thesis combines the insights and lessons learned from the previous approaches to propose a system that combines augmented reality with visual analysis to allow the monitoring and a situated analysis of machine events directly at the production line. The presented approach primarily focuses on the support of operators on the shop floor. At last, this thesis discusses a possible combination of the product lifecycle with knowledge generating models to communicate insights between the phases, e.g., to prevent issues that are caused from problematic design decisions in earlier phases. In summary, this thesis makes several fundamental contributions to advancing visual analytics techniques in the manufacturing domain by devising new interactive analysis techniques for concept and event relations and by combining them with augmented reality approaches enabling an immersive analysis to improve event handling during production.
Open Access
Robotermanipulationsfähigkeiten zur Automatisierung von Instandhaltungsaufgaben
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Friedrich, Christian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
In Produktionssystemen spielt die Anlagenverfügbarkeit und Produktqualität, vor allem im Hinblick auf ökonomische Unternehmensziele, eine entscheidende Rolle. Damit dies erreicht werden kann, unterliegen Produktionseinrichtungen regelmäßigen Instandhaltungsarbeiten. Während für Inspektionsaufgaben bereits Verfahren zur Verfügung stehen, welche die automatisierte Fehlerdetektion, -isolation und -identifikation erlauben, bestehen bisher keine Systeme, die eine automatische Wiederherstellung des Sollzustands ermöglichen. Aufgrund dessen untersucht diese Arbeit neuartige Manipulationsfähigkeiten, die es einem autonomen Robotersystem erlauben, Wartungs- und Instandsetzungsaufgaben zu automatisieren, hierdurch den menschlichen Akteur unterstützen und langfristig zu einer Attraktivitätssteigerung der Produktion in Hochlohnländern führen könnten. Damit Robotersysteme derart komplexe Aufgaben unter realitätsnahen Bedingungen autonom lösen können, entwickelt diese Arbeit spezielle Fähigkeiten zur Planung, Steuerung und Regelung von Robotermanipulationen. Ein besonderes Hauptaugenmerk bei der Entwicklung dieser Methoden liegt dabei vor allem auf der zeiteffizienten Planung sowie der Möglichkeit zur Kompensation von Umweltunsicherheiten zwischen a priori und Sensordaten. Für die Aufgabenplanung wird ein Verfahren entwickelt, welches auf Basis von CAD- und visuellen Sensordaten, die notwendigen Manipulationen in Form symbolischer Anweisungen generiert. Durch einen neuartigen stichprobenbasierten Ansatz wird eine zeiteffiziente Berechnung möglicher Demontageräume erlaubt. Damit eine zielgerichtete Akquirierung relevanter Sensordaten ermöglicht werden kann, wird ein Algorithmus vorgestellt, der mittels aufgabenabhängiger Metriken die Kombination von Kartenexploration und Objekterkennung in einer geeigneten Sensorpose zulässt. Zur Planung einer Bewegungsbahn, für die Ausführung der einzelnen Manipulationsaufgaben, werden, dem Stand der Technik gemäß, bekannte globale Bahnplanungsverfahren verwendet. Jedoch wird eine Vorverarbeitungsstrategie vorgeschlagen, die auf Grundlage einer adaptiven Schrittweitensteuerung eine deutliche Reduktion des Planungsraums zulässt, wodurch eine niedrigere Planungszeit bei höherer Erfolgsrate in der Lösungsfindung erzielt wird. Die aus der Planung generierte Beschreibung wird weitergehend in ein Anwenderprogramm umgesetzt. Hierzu wird ausgehend von einer allgemeinen Dekompositionsvorschrift die Generierung elementarer Roboterkontrollanweisungen erlaubt, welche aufgabenabhängig über propriozeptive oder exterozeptive Regler ausgeführt werden. Die entwickelten Manipulationsfähigkeiten werden in eine Steuerungsarchitektur integriert und ganzheitlich an einem Demonstratorsystem, anhand praxisrelevanter Anwendungsfälle, experimentell validiert.
Open Access
Smart Engineering Apps für eine mobile und situationssensitive Bereitstellung von Engineeringdaten
(2019) Hoos, Eva; Mitschang, Bernhard (Prof. Dr.-Ing.)
Globale Megatrends wie steigende Produktindividualisierung, kürzere Produktlebenszyklen und steigende Produktkomplexität führen zu erheblichen Herausforderungen im Engineering, also in der Produkt- und Produktionsprozessentwicklung. Die Informationsbereitstellung in der Engineeringdomäne ist zeitaufwendig und komplex, deshalb werden Engineeringprozesse nur unzureichend unterstützt. Gleichzeitig wird das Potenzial neuer Technologien wie mobile Apps oder situationssensitive Anwendungen bisher nicht genutzt. Um dies zu adressieren, stehen im Zentrum dieser Arbeit Smart Engineering Apps (SEA), die eine mobile und situationsabhängige Bereitstellung von Engineeringdaten ermöglichen. Die Beiträge der Doktorarbeit umfassen sowohl die Konzeption und prototypische Implementierung von SEAs als auch die Entwicklung von Methoden und Konzepten für deren strategischen Einsatz und Entwurf. Die Beiträge lassen sich in drei Teilbereiche untergliedern: (1) Es wird eine systematische, prozessorientierte Analysemethode zur Identifikation von App-Potenzialen bereitgestellt. Die Methode wird auf mehrere Engineeringprozesse angewendet, um eine Übersicht über App-Potenziale und den möglichen Geschäftsnutzen zu erhalten. (2) Für die systematische Konzeption der Situationssensitivität wird ein Entwurfsframework zur Verfügung gestellt. Es stellt sowohl ein Metamodell für Situationen als auch Entwicklungsmethoden und -bausteine für die Modellierung und Erfassung von Situationen bereit. (3) Die situationsabhängige Bereitstellung von Engineeringdaten stellt eine Kernfunktionalität von SEAs dar. Das erarbeitete Konzept ermöglicht die Realisierung von SEAs, die Anwendern nur die Engineeringdaten zur Verfügung stellen, die sie für ihre aktuelle Aufgabe benötigen. Auf Basis der entwickelten Konzepte und Methoden werden zwei SEAs realisiert. Die Evaluation der Forschungsbeiträge erfolgt durch die Anwendung der Konzepte und Methoden bei deren Entwurf. Damit wird gezeigt, dass die erarbeiteten Forschungsbeiträge in realen Anwendungsfällen einsetzbar sind und dass sie den Entwurf von SEAs unterstützen. Eine Expertenevaluation zeigt, dass durch SEAs Prozessverbesserungen erreicht werden können. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass SEAs die Herausforderungen der Informationsbereitstellung im Engineering adressieren. Durch die entwickelten Lösungskonzepte werden der Entwurf und die Konzeption von SEAs unterstützt. Deren Einsatz liefert einen Beitrag für Prozessverbesserungen im Engineering.
Open Access
Aspekte des Change Management in großen koordinierten Systemverbünden
(2019) Königsberger, Jan; Mitschang, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Diese Arbeit untersucht verschiedene Aspekte von Änderungsvorhaben im Rahmen großer Systemverbünde in serviceorientierten Architekturen (SOA). Entsprechende Änderungsaktivitäten und -prozesse werden unter dem Begriff Change Management zusammengefasst und sind ein Teilbereich der SOA Governance. Die SOA Governance definiert Prozesse und Richtlinien zur Steuerung und Überwachung einer SOA. Änderungsprozesse müssen für jede Änderung an einem Bestandteil eines SOA-Systemverbundes, wie etwa eines Services oder seiner Schnittstellen, durchlaufen werden. Daher ist es essentiell, dass solche Prozesse klar dokumentiert und möglichst schlank gehalten werden. Aufgrund der Komplexität eines Systemverbundes ist die Unterstützung der Änderungsprozesse durch spezialisierte Softwareanwendungen unabdingbar zur effizienten Durchführung von Änderungsvorhaben. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung von Methoden und Verfahren zur Unterstützung der Änderungsprozesse und der Governance serviceorientierter Architekturen. Zur Erreichung dieses Ziel liefert die vorliegende Arbeit mehrere Beiträge. Es werden zunächst Möglichkeiten zur Vereinfachung der Integration von neuen Service-Consumern in eine SOA vorgestellt. Hierzu wurde das Konzept der Business Objects plus entwickelt. Dieses zielt auf eine Vereinheitlichung von häufig genutzten Datenobjekten über Domänengrenzen hinweg ab, wodurch die Anbindung von Consumern vereinfacht wird. Einen weiteren Beitrag aus diesem Themenfeld stellt die REST-to-SOAP-Middleware Architecture dar. Sie ermöglicht die Anbindung von existierenden, klassischen SOAP-basierten Webservices in Anwendungsfällen, die das leichtgewichtigere REST-Architekturparadigma nutzen. Durch den Einsatz moderner Technologien können sich neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Softwaresystemen eröffnen. Konkret untersucht diese Arbeit dazu die Einsatzmöglichkeiten semantischer Technologien in der Entwicklung eines SOA-Governance-Informationssystems, das Stakeholdern einer SOA eine effiziente Erledigung ihrer Aufgaben ermöglichen soll. Ein weiterer wichtiger Themenkomplex ist die Durchführung von Software- und Schnittstellentests im Rahmen eines Änderungsprozesses. Insbesondere in einem Systemverbund sind dabei eine Vielzahl an Abhängigkeiten zwischen Systemen und Services zu beachten. Diese Arbeit liefert dazu eine Methode zur Risikobewertung von Änderungen, wodurch eine zielgerichtete und ressourcenschonende Testdurchführung ermöglicht wird. Zur Unterstützung der Testplanung und -durchführung wurde in einem weiteren Beitrag ein Konzept zur automatischen Generierung und Optimierung von Testzeitplänen entwickelt, welches existierende Abhängigkeiten und Randbedingungen mit einbezieht, durch die eine manuelle Erstellung eines solchen Zeitplans komplex wäre. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden und Konzepte wurden als Prototyp eines SOA-Governance-Informationssystems, dem SOA Governance Repository implementiert, das ebenfalls vorgestellt wird.
Open Access
Autonome Entscheidungsfindung in der Produktionssteuerung komplexer Werkstattfertigungen
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Waschneck, Bernd; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
Die Variabilität in der kundenindividuellen Massenproduktion stellt eine enorme Herausforderung für die industrielle Fertigung dar. Die komplexe Werkstattfertigung als Produktionsprinzip eignet sich aufgrund der inhärenten Flexibilität besonders für die kundenindividuelle Massenproduktion. Allerdings sind die bestehenden Methodiken für die Produktionssteuerung einer Werkstattfertigung für die Einmal- oder Wiederholproduktion ausgelegt, was zu Defiziten in der Massenproduktion führt. Entweder ist die globale Qualität der Ergebnisse suboptimal oder die notwendige Echtzeitfähigkeit in der Entscheidungsfindung kann nicht bereitgestellt werden. Zudem entsteht durch Veränderungen und Anpassungen der Produktionssteuerung einer komplexen Werkstattfertigung ein hoher manueller Aufwand. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik für eine dezentrale, selbstorganisierte und autonome Produktionssteuerung für eine Werkstattfertigung entwickelt, die dazu beiträgt, mit der zunehmenden Komplexität und dem Produktionsvolumen umzugehen. Dabei wird die Produktion als Reinforcement-Learning-Modell formalisiert, das die Grundlage für das autonome Lernen einer Strategie zur Optimierung der Abarbeitungsreihenfolge bildet. Mehrere kooperative Deep-Q-Network-Agenten werden in diesem Modell darauf trainiert, eine Strategie zu finden, die eine gegebene Bewertungsfunktion - meist ein Key Performance Indicator aus der Produktion - maximiert. Die Neuronalen Netze, in denen die erlernte Entscheidungslogik der Deep-Q-Network-Agenten abgebildet ist, werden nach der Trainingsphase in die Produktion übertragen. Der Multi-Agenten-Ansatz trägt dazu bei, dass der Lernvorgang beschleunigt wird und im produktiven Einsatz durch die Dezentralität Entscheidungen schneller bestimmt werden können. Die Erprobung der Methodik in zwei praxisnahen Fallbeispielen aus der Halbleiterindustrie zeigt ihre Leistungsfähigkeit. In beiden Fallbeispielen konnten Strategien zur Optimierung der Abarbeitungsreihenfolge auf oder über Expertenniveau autonom erlernt werden. Konkret konnte dadurch im zweiten Fallbeispiel der Anteil verspäteter Aufträge in einer Technologieklasse von 17, 0 % auf 1, 3 % reduziert werden. Abgerundet wird die Arbeit durch eine Einordnung in das soziotechnische System „Fabrik“, in der die Umsetzung der Reihenfolgeentscheidungen durch die Werker betrachtet wird. Dabei wird offensichtlich, dass die Optimierung der Produktionssteuerung ganzheitlich unter Einbeziehung der Werker in einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess erfolgen muss.
Open Access
Temporally dense exploration of moving and deforming shapes
(2020) Frey, Steffen
We present our approach for the dense visualization and temporal exploration of moving and deforming shapes from scientific experiments and simulations. Our image space representation is created by convolving a noise texture along shape contours (akin to LIC). Beyond indicating spatial structure via luminosity, we additionally use colour to depict time or classes of shapes via automatically customized maps. This representation summarizes temporal evolution, and provides the basis for interactive user navigation in the spatial and temporal domain in combination with traditional renderings. Our efficient implementation supports the quick and progressive generation of our representation in parallel as well as adaptive temporal splits to reduce overlap. We discuss and demonstrate the utility of our approach using 2D and 3D scalar fields from experiments and simulations.
Open Access
Context scenarios of the German Energy Transition : a data collection for the analysis of the socio-political framework of a socio-technical transformation
(2020) Weimer-Jehle, Wolfgang; Prehofer, Sigrid; Hauser, Wolfgang; Bräutigam, Klaus-Rainer (Translator); Buchgeister, Jens (Translator); Kopfmüller, Jürgen (Translator)
An expert survey about the socio-technical context of the German Energy Transformation is described and selected results are reported. Major socio-technical drivers of the energy system and its evolution were identified, alternative futures for each driver were derived based on literature review and expert questioning. Using the framework of Cross-Impact Balance Analysis, the interrelations between the possible futures of the drivers were estimated by a series of expert interviews.
Open Access
Degradation rate location dependency of photovoltaic systems
(2020) Frick, Alexander; Makrides, George; Schubert, Markus; Schlecht, Matthias; Georghiou, George E.
A main challenge towards ensuring improved lifetime performance and reduction of financial risks of photovoltaic (PV) technologies remains the accurate degradation quantification of field systems and the dependency of this performance loss rate to climatic conditions. The purpose of this study is to address these technological issues by presenting a unified methodology for accurately calculating the degradation rate (𝑅𝐷) of PV systems and provide evidence that degradation mechanisms are location dependent. The method followed included the application of data inference and time series analytics, in the scope of comparing the long-term 𝑅𝐷 of different crystalline Silicon (c-Si) PV systems, installed at different climatic locations. The application of data quality and filtering steps ensured data fidelity for the 𝑅𝐷 analysis. The yearly 𝑅𝐷 results demonstrated that the adopted time series analytical techniques converged after 7 years and were in close agreement to the degradation results obtained from indoor standardized procedures. Finally, the initial hypothesis that the 𝑅𝐷 is location dependent was verified, since the multicrystalline silicon (multi-c-Si) systems at the warm climatic region exhibited higher degradation compared to the respective systems at the moderate climate. For the investigated monocrystalline silicon (mono-c-Si) systems the location-dependency is also affected by the manufacturing technology.
Open Access
Socio-technical energy scenarios : state-of-the-art and CIB-based approaches
(2020) Weimer-Jehle, Wolfgang; Vögele, Stefan; Hauser, Wolfgang; Kosow, Hannah; Poganietz, Witold-Roger; Prehofer, Sigrid
Energy conversion is a major source of greenhouse gas (GHG) emissions, and energy transition scenarios are a key tool for gaining a greater understanding of the possible pathways toward climate protection. There is consensus in energy research that political and societal framework conditions will play a pivotal role in shaping energy transitions. In energy scenario construction, this perspective is increasingly acknowledged through the approach of informing model-based energy analysis with storylines about societal futures, an exercise we call “socio-technical energy scenario construction” in this article. However, there is a dispute about how to construct the storylines in a traceable, consistent, comprehensive, and reproducible way. This study aims to support energy researchers considering the use of the concept of socio-technical scenarios in two ways: first, we provide a state-of-the-art analysis of socio-technical energy scenario construction by comparing 16 studies with respect to five categories. Second, we address the dispute regarding storyline construction in energy research and examine 13 reports using the Cross-Impact Balances method. We collated researcher statements on the strengths and challenges of this method and identified seven categories of promises and challenges each.
Open Access
Beitrag zur Modellierung und Simulation des Strahlzerfalls bei der pneumatischen Lackzerstäubung
(2020) Shen, Bo; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Der Zerstäubungsprozess ist der zentrale Vorgang bei der Spritzlackierung. Bei pneumatischen Zerstäubern wird der Lack durch Zerstäubungsgase, die mit Hochgeschwindigkeit strömen, zerlegt. Der Einfluss der Eigenschaften der Zerstäubungsgase auf die Zerstäubung und den gesamten Spritzvorgang wird zuerst im Rahmen dieser Arbeit durch experimentelle und numerische Untersuchungen studiert. Hierbei ist festzustellen, dass Gase mit geringerer Dichte höhere Strömungsgeschwindigkeiten nahe am Zerstäuber erzielen und damit eine bessere Zerstäubung bewirken. Gleichzeitig fällt die Gasgeschwindigkeit schneller wieder ab, wodurch der Staudruck minimiert wird und ein hoher Lackauftragswirkungsgrad erzielt werden kann. Anschließend fokussiert diese Arbeit auf numerische Untersuchungen zum Primärzerfall von Flüssigkeitsstrahlen unter Verwendung der Volume-of-Fluid-Methode (VOF). In der Simulation sind unterschiedliche Zerfallserscheinungen zu beobachten. Die Länge des intakten Flüssigkeitsstrahls, welche häufig als Maßstab zur Bewertung der Zerstäubungsqualität verwendet wird, lässt sich ebenfalls bestimmen. Zum Herausfinden der Bedingungen für einen effizienten Primärzerfall werden zwei Zerfallsindizes eingeführt. Eine negative Korrelation zwischen den Zerfallsindizes und dem dynamischen Druckverhältnis ist festzustellen. Schließlich wird der Stahlzerfall separat mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera und eines Laserbeugungssystems untersucht. Die erzielten Ergebnisse werden mit den Simulationsergebnissen verglichen.
Open Access
Flexible Führung hochbrillanter Laserstrahlen mit optischen Fasern
(München : utzverlag, 2020) Röhrer, Christian; Graf, Thomas (Prof. Dr. phil. nat.)
Festkörperlaser mit beugungsbegrenzter Strahlqualität eröffnen durch ihre stetig steigende Ausgangsleistung kontinuierlich neue Anwendungsfelder in der Lasermaterialbearbeitung. In Hinblick auf den wachsenden Bedarf einer flexiblen Strahlführung von Festkörperlaserstrahlung gewinnen optische Glasfasern hierbei, bedingt durch ihre vergleichsweise niedrigen Kosten, hohe Zuverlässigkeit und Vielseitigkeit, in industriellen Systemen immer mehr an Bedeutung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher verschiedene optische Glasfasern für Anwendungen im Dauerstrichbetrieb (CW), wie auch für ultrakurz gepulste (UKP) Strahlung, untersucht. Für Anwendungen von cw-Lasern bis in den kW-Bereich wurde der Grundmodestrahltransport in hochgradig multimodigen Stufenindexfasern untersucht. Hierfür wurde die gesamte Entwicklungskette von der Faserauslegung über die Faserproduktion bis hin zur Fasercharakterisierung durchgeführt. Im Bereich der Hohlkernfasern, wie sie typischerweise für die Übertragung von UKP-Strahlung verwendet werden, wurden Fasern bezüglich ihres polarisationserhaltenden Verhaltens analysiert, da die Polarisation einen entscheidenden Parameter für eine Vielzahl der Prozesse in der Mikromaterialbearbeitung darstellt. Zum Grundmodestrahltransport in hochgradig multimodigen Stufenindexfasern wurde zu Beginn der Einfluss des Faserkerndurchmessers untersucht, um den minimal benötigten effektiven Brechzahlunterschied Δneff zwischen den Moden LP01 und LP11, der zur Unterdrückung von Modenmischung notwendig ist, zu finden. Hierbei wurde gezeigt, dass es möglich ist, in Fasern mit Kerndurchmessern von bis zu 80 µm bei einer numerischen Apertur (NA) von 0,111 über eine Faserlänge zwischen 5 und 10 m eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität (Beugungsmaßzahl M² ≈ 1,3) beizubehalten. Dies entspricht beim größten Faserkerndurchmesser von 80 µm einer effektiven Modenfläche von 2800 µm² bei einem Δneff von 0,5·10-4. Der Einfluss der Einkopplung wurde zuerst theoretisch mit Hilfe numerischer Simulationen untersucht, bevor die Ergebnisse experimentell bestätigt wurden, indem die Strahlgröße des fokussierten Gaußstrahls auf der Faserfacette variiert wurde. Bei optimaler Einkopplung in die Faser, das heißt, der Überlapp zwischen einfallendem Strahl und LP01-Grundmode der Faser ist maximal, konnte nach der Faser die niedrigste Beugungsmaßzahl gemessen werden. Außerdem wurde gezeigt, dass die Strahlqualität nach der Faser selbst für Biegeradien der Faser bis hinab zu 2 cm kaum degradiert und so für alle untersuchten Fasern mit Kerndurchmessern zwischen 50 und 80 µm stets ein M² kleiner 1,5 gemessen werden konnte. Die Schwellleistung von stimulierter Raman-Streuung konnte experimentell für eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 80 µm bei einer Länge von 10 m, welche lose auf dem Tisch platziert wurde (Biegeradius rbend ≥ 25 cm), zu mehr als 60 kW ermittelt werden. Um Limitierungen aufgrund thermisch induzierter Aberrationen zu umgehen, wie sie typischerweise bei transmissiven Optiken zur Freistrahleinkopplung auftreten, wurde zur weiteren Untersuchung des Grundmodestrahltransports in hochgradig multimodigen Stufenindexfasern ein monolithischer Ansatz verwendet. Zur experimentellen Realisierung wurde ein cw-Grundmode-Faserlaser an die zu untersuchenden Transportfasern gespleißt, welche auf Basis der Coupled-Mode-Theorie hinsichtlich Faserdesign wie auch Faserproduktion optimiert wurden. Die hierfür notwendigen Taper wurden direkt während des Faserzugs in die Fasern implementiert und alle benötigten Spleißverbindungen wurden vorab entwickelt. Über eine Faserlänge von 100 m konnte auf diese Weise für Fasern mit Kerndurchmessern zwischen 30 und 60 µm bei einer NA von 0,22 die Erhaltung nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität (M² ≈ 1,3) demonstriert werden. Mit steigender Faserlänge wurde eine graduelle Degradierung der Strahlqualität unabhängig vom Faserkerndurchmesser beobachtet. Für eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 60 µm bei einer Länge von 380 m konnte trotzdem noch ein M² von 2,1 gezeigt werden. Die Hochleistungstauglichkeit des verwendeten monolithischen Ansatzes konnte demonstriert werden, indem ein Strahl mit einer Leistung von 1 kW über eine 100 m lange Faser mit einem Kerndurchmesser von 60 µm übertragen werden konnte, bei einem M² des transmittierten Strahls von 1,3 und ohne dass stimulierte Raman-Streuung die Übertragung limitierte. Zur Übertragung von UKP-Strahlung wurden zwei verschiedene Typen von Hohlkernfasern bezüglich ihres polarisationserhaltenden Verhaltens untersucht. Die verwendeten photonischen Kristallfasern nutzen „Inhibited-Coupling“ als Strahlführungsmechanismus, wobei die K-7C Faser ein Kagome-Gitter im Fasermantel besitzt, bei der sieben Fehlstellen den Faserkern mit hypozykloider Kernkontur bilden, und die T-8 Faser über einen tubularen Aufbau verfügt, bestehend aus acht Kapillaren im Fasermantel. Es konnte gezeigt werden, dass ein Unterschied der Propagationskonstanten beider orthogonal zueinander polarisierten LP01-Fasermoden δneff ≠ 0) über die Propagation zu einer Phasenverschiebung führt. Dies kann umgangen werden, wenn lediglich eine der beiden LP01-Moden der Faser angeregt wird, indem die Orientierung der linearen Polarisation der in die Faser eingekoppelten Strahlung entweder parallel oder orthogonal zur Biegeebene ausgerichtet ist. Wird hingegen eine Mischung beider Polarisationszustände angeregt, führt dies über die Propagation zu einer Degradierung des linearen Polarisationszustands. Für beide Fasern steigt mit abnehmendem Biegeradius die Differenz beider Propagationskonstanten δneff an, wodurch die Phasenverschiebung zunimmt. Dieses Verhalten wurde theoretisch anhand numerischer Simulationen beschrieben und konnte abschließend mittels experimenteller Ergebnisse bestätigt werden. Es hat sich hierbei gezeigt, dass die Phasenverschiebung in der K-7C Faser etwa einen Faktor 5 höher ist als in der T-8 Faser, was in guter Übereinstimmung mit den numerischen Simulationen steht.