07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access ROSIE : RObust Sparse ensemble for outlIEr detection and gene selection in cancer omics data(2022) Jensch, Antje; Lopes, Marta B.; Vinga, Susana; Radde, NicoleThe extraction of novel information from omics data is a challenging task, in particular, since the number of features (e.g. genes) often far exceeds the number of samples. In such a setting, conventional parameter estimation leads to ill-posed optimization problems, and regularization may be required. In addition, outliers can largely impact classification accuracy. Here we introduce ROSIE, an ensemble classification approach, which combines three sparse and robust classification methods for outlier detection and feature selection and further performs a bootstrap-based validity check. Outliers of ROSIE are determined by the rank product test using outlier rankings of all three methods, and important features are selected as features commonly selected by all methods. We apply ROSIE to RNA-Seq data from The Cancer Genome Atlas (TCGA) to classify observations into Triple-Negative Breast Cancer (TNBC) and non-TNBC tissue samples. The pre-processed dataset consists of 16,600 genes and more than 1,000 samples. We demonstrate that ROSIE selects important features and outliers in a robust way. Identified outliers are concordant with the distribution of the commonly selected genes by the three methods, and results are in line with other independent studies. Furthermore, we discuss the association of some of the selected genes with the TNBC subtype in other investigations. In summary, ROSIE constitutes a robust and sparse procedure to identify outliers and important genes through binary classification. Our approach is ad hoc applicable to other datasets, fulfilling the overall goal of simultaneously identifying outliers and candidate disease biomarkers to the targeted in therapy research and personalized medicine frameworks.Item Open Access Alumina and zirconia-reinforced polyamide PA-12 composites for biomedical additive manufacturing(2021) Nakonieczny, Damian S.; Kern, Frank; Dufner, Lukas; Antonowicz, Magdalena; Matus, KrzysztofThis work aimed to prepare a composite with a polyamide (PA) matrix and surface-modified ZrO2 or Al2O3 to be used as ceramic fillers (CFs). Those composites contained 30 wt.% ceramic powder to 70 wt.% polymer. Possible applications for this type of composite include bioengineering applications especially in the fields of dental prosthetics and orthopaedics. The ceramic fillers were subjected to chemical surface modification with Piranha Solution and suspension in 10 M sodium hydroxide and Si3N4 to achieve the highest possible surface development and to introduce additional functional groups. This was to improve the bonding between the CFs and the polymer matrix. Both CFs were examined for particle size distribution (PSD), functional groups (FTIR), chemical composition (XPS), phase composition (XRD), and morphology and chemical composition (SEM/EDS). Filaments were created from the powders prepared in this way and were then used for 3D FDM printing. Samples were subjected to mechanical tests (tensility, hardness) and soaking tests in a high-pressure autoclave in artificial saliva for 14, 21, and 29 days.Item Open Access Beurteilung von Oberflächen durch Prozeßsimulation(1992) Heisel, Uwe; Fischer, Andreas; Maier, VolkerDie Oberflächenqualität wird durch das dynamische Verhalten der Maschine beim Umfangsplanfräsen wesentlich beeinflußt. Beim Fräsvorgang entstehen durch den Zahneingriff auf der Werkstückoberfläche Zykloidenbewegungen in Form von spitzen Wellenbergen und runden Wellentälern. Zur Beurteilung von Oberflächen wurde ein Softwarepaket entwickelt, mit dem sowohl der kinematisch reine Prozeß als auch der durch das dynamische Verhalten der Maschine gestörte Prozeß, dargestellt werden kann. Durch Definition einer Kennzahl für die Ungleichmäßigkeit der Rillenabfolge können mit diesem Instrumentarium verschiedene Prozesse bzw. deren Störungen in ihrer Auswirkung auf die Oberflächenqualität verglichen werden. Am Institut für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart werden mit Betriebsschwingungs- und Modalanalysen, Konstruktionsänderungen auch im Hinblick auf Oberflächenqualität in der Holzbearbeitung durchgeführt. In einer dreiteiligen Serie zur Oberflächenqualität beim Umfangsplanfräsen werden die Möglichkeiten beschrieben, die aus der Auswertung von Oberflächenprofilen zur Maschinenoptimierung entstehen.Item Open Access Entwicklung einer schnell schaltenden Bremse und Kupplung für Linearbewegungen zum Überlastschutz in Werkzeugmaschinen(2009) Dennig, Hans-Jörg; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)Große Kollisionskräfte aufgrund eines Bedien- oder Programmierfehlers sind ein zentrales Problem bei der modernen Produktion mit hocheffizienten Werkzeugmaschinen. Dadurch entstehen teure Reparaturen vor allem an der Hauptspindel und den Spindelmutter-Antrieben, was zu langen Ausfallzeiten an der betroffenen Maschine führt. Eine Umfrage bei insgesamt 23 Anwendern und Herstellern von Werkzeugmaschinen ergab, dass die Service- und Ersatzteilkosten durch eine heftige Kollision bis zu 23.000 € betragen können. Verfügbare Überlastsicherungssysteme können derzeit weder die hohen Kollisionsschäden verhindern noch die Auswirkungen eines Schadens gering halten. Es bedarf also neuer Ansätze. Um dies zu ändern, wird eine Lösung verfolgt, die vorsieht, die Vorteile elektronischer und mechanischer Überlastsicherungssysteme zu vereinen. Diese Lösung basiert darauf, dass der erste Kontakt bei einer Kollision beispielsweise zwischen Werkzeug und Werkstück erkannt und über eine nachgeschaltete Entscheidungslogik verarbeitet wird. Durch diesen kontakterkennungsbasierten Ansatz ist es möglich, Kollisionen schneller als bei herkömmlichen Schutzsystemen zu erkennen und Maßnahmen einleiten zu können. Je nach Kollisionshärte muss die Maschine dann möglichst schnell gestoppt werden, wobei abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit zwei Strategien zur Verfügung stehen. Im Bereich niedriger Vorschübe kann mittels eines steuerungsinternen Notstopps die Maschine sicher gestoppt werden, ohne dass nennenswerte Schäden auftreten. Im Fall einer Kollision mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten reicht der interne Notstopp nicht mehr aus, weshalb die Steuerung ein Signal an eine aktiv geschaltete Sicherheitskupplung/-bremse weitergibt. Das schnell schaltende Bremssystem kann vor allem den Spindelkasten inkl. Hauptspindel schützen, indem die Überlast vom Bremssystem aufgenommen wird und bleibende Verformungen verhindert werden. Dazu muss das Bremssystem mit hoher Kraft schnellstmöglich wirken. Eine Überlastkupplung, die eine hohe Axialsteifigkeit aufweist und direkt an der Schnittstelle zwischen Antriebssystem und Werkzeugschlitten in die Spindelmutter integriert ist, kann den Kraftfluss infolge einer Kollision früh unterbrechen und somit das Antriebssystem schützen. Solche Maschinenelemente zur schnellen Kopplung bzw. Entkopplung von großen Kräften sind nach dem derzeitigen Stand der Technik und Forschung nicht verfügbar. Ziel dieser Arbeit ist somit die Entwicklung einer schnell schaltenden Bremse und Kupplung für Linearbewegungen am Beispiel des beschriebenen Überlastsicherungssystems für Werkzeugmaschinen mit Spindelmutter-Antrieben. Damit erfolgt eine Eingrenzung des Lösungsansatzes auf die mechanischen Komponenten. Die ebenfalls benötigte Steuerungstechnik zur Auslösung von Bremse bzw. Kupplung wird in einer weiteren Arbeit am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen entwickelt. Die Hauptanforderung an die einzelnen Systeme besteht dabei in der Verkürzung der Reaktionszeit. Maßnahmen zur Vermeidung von schwerwiegenden Beschädigungen infolge Kollisionen müssen in den ersten Millisekunden eingeleitet werden. In der vorliegenden Arbeit wird zur Lösung dieser Aufgabe als Vorgehensweise der Produktentwicklungsprozess gemäß VDI2221 gewählt. Dabei wird gezeigt, dass die Anforderungen durch eine hydraulische Betätigung des Brems- bzw. Kupplungssystems erreichbar sind. Das Herzstück bildet daher ein Hydraulikventil, das durch einen extrem schnellen Aktor geöffnet wird. Das zentrale Problem dabei ist die Optimierung der Parameter Kraft, Weg und Zeit. So müssen die eingesetzten Aktorprinzipien hohe Kräfte und Wege innerhalb kürzester Reaktionszeit aufbringen. Das schnell schaltende Bremse-Kupplung-System wird hier exemplarisch für die x-Achse einer Fräsmaschine in Fahrständerbauweise entwickelt. Die Antriebssysteme bestehen dabei aus Kugelgewindetrieben. Es steht jedoch nicht die Werkzeugmaschine im Vordergrund, sondern die Entwicklung des Bremse-Kupplung-Systems, das somit auch in weiteren Anwendungsfeldern ihren Einsatz finden kann. Für die geforderte Aufgabenstellung leiten sich jedoch aus den Eigenschaften von Werkzeugmaschinen wie z. B. Verfahrgeschwindigkeiten, Steifigkeiten etc. verschiedene Anforderungen ab, welche die Basis für die vorliegende Arbeit darstellen.Item Open Access Objektvermessung mit bildanalysegestützten 3D-Meßverfahren : allgemeine Angaben zum Teilprojekt C6(1986) Tiziani, Hans J.Obwohl bei der digitalen Bildverarbeitung in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt wurden, ist die schnelle Erfassung von 3-D Information nach wie vor ein ungelöstes Problem. Erst eine Kombination der digitalen 2D-Bildverarbeitung mit einem Abstandsmeßverfahren erlaubt eine schnelle, dreidimensionale Objekterfassung. Hierbei wird ein unter problemangepasster Beleuchtung gewonnenes Graubild mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung bezüglich 3D-gestaltsrelevanten Merkmalen untersucht. Aufgrund dieser Daten erfolgt eine Festlegung der 3D-Antastpunkte auf das zur Objektrekonstruktion notwendige Minimum. Daraufhin werden die selektierten Antastpositionen durch ein Abstandsmeßverfahren in Echtzeit räumlich vermessen. Anschließend erfolgt die Rekonstruktion der dreidimensionalen Objektgestalt. Das auf dynamischer Triangulation basierende Abstandsmeßverfahren gestattet eine freie Wahl der Antastpunkte, was eine anwendungsangepasste Steuerung des Abtastvorgangs erlaubt und somit eine hochflexible Unterstützung der 2D-Bildverarbeitung ermöglicht. Eine Kombination aus dynamischer Abtastung und angepasster Beleuchtung mit der digitalen Bildverarbeitung soll zu einem dynamischen System zur 3D-Objektlokalisierung und -Oberflächenerfassung im Nahbereich führen. Typische Objekte sollen hierbei Fahrzeuge und Karosserieteile sein.Item Open Access Untersuchungen zu neuartigen Infusionspumpen für die Medizintechnik(2013) Wolter, Frank; Kück, Heinz (Prof. Dr. rer. nat.)Es gibt derzeit keine am Markt erhältlichen Geräte, die sowohl unbegrenztes Dosiervolumen verabreichen können als auch den genannten Ratenbereich mit der geforderten Genauigkeit abdecken. Um den Geräteaufwand zu minimieren, ist es deshalb eine wichtige Anforderung an eine neuartige Infusionspumpe, diese universell einsetzen zu können. Das ist in dieser Arbeit vorgestellte neuartige Pumpprinzip mit ferromagnetischem Pumpelement stellt eine Verfeinerung des Hubkolbenprinzips dar und ist aufgrund seines einfachen und robusten Aufbaus für die Ausführung als Einwegteil in der Medizintechnik geeignet. Der zur Bewegung des Pumpelements nötige Antrieb kann ebenfalls sehr einfach und mit wenigen Bauteilen ausgeführt sein. Er kommt dabei nicht mit dem zu fördernden Fluid in Kontakt.Item Open Access Konzept eines wandlungsfähigen und modularen Produktionssystems für Franchising-Modelle(2013) Rauch, Erwin; Spath, Dieter (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es ein Konzept zur systematischen Gestaltung eines franchisefähigen Produktionssystems mit geographisch verteilten Produktionseinheiten zu entwickeln, welches sowohl wandlungsfähig, skalierbar, als auch replizierbar ist. Das Konzept soll zudem sicherstellen, dass das gestaltete Produktionssystem erprobt, anschließend umgesetzt und im Sinne der Wandlungsfähigkeit laufend adaptiert wird. Es gibt bereits viele Ansätze in der Forschung, welche behandeln, wie wandlungsfähige Systeme bzw. Produktionssysteme an die sich verändernden Wandlungstreiber angepasst werden können. Diese Ansätze haben jedoch meist einen sehr universellen und allgemeingültigen Charakter ohne auf spezifische Eigenschaften oder Anforderungen bestimmter Produktionsbranchen oder Organisationsformen näher einzugehen. Diese Arbeit widmet sich einer spezifischen Organisationsform, nämlich jener des Franchising mit geographisch verteilten Produktionsstätten und versucht mit dem erarbeiteten Konzept, ein für dieses Geschäftsmodell maßgeschneidertes Produktionssystem zu entwickeln. Das Thema der erarbeiteten Dissertation ist von besonderer Relevanz, da es dem Trend hin zu flexiblen und kundenorientierten sowie dezentralen Produktionen und deren Vernetzung folgt. Gleichzeitig verfolgt die Arbeit das Ziel zur Steigerung der Wandlungsfähigkeit von Produktionseinheiten durch Modularität und Skalierbarkeit des Produktionssystems. Franchising als Organisationsform gewinnt in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung und wächst deutlich stärker als die Gesamtwirtschaft. In den vergangenen Jahrzehnten wurde im Themenbereich Franchising fast ausschließlich Forschung auf betriebswirtschaftlicher und juristischer Seite betrieben – es fehlte gänzlich an einem Leitfaden zur Planung, Gestaltung und Umsetzung von Produktionssystemen innerhalb von Franchise-Netzwerken. Durch diese Arbeit soll diese Lücke in der Forschung geschlossen werden. Die Inhalte der Arbeit sind daher: • Stand der Technik und Lösungsansätze aus der Forschung: Aktuelle Trends, Identifikation und Vergleich bestehender bzw. bereits erprobter Ansätze aus der Forschung. • Anforderungen an die Produktionssystemgestaltung: Systematische Ermittlung und Ableitung der Entwurfsparameter zur Gestaltung von Produktionssystemen für Franchising-Modelle mittels Systemtheorie (Axiomatic Design). • Konzeptentwicklung: Entwicklung eines ganzheitlichen Konzepts zur Gestaltung, Planung und Einführung eines wandlungsfähigen und modular erweiterbaren Franchise-Produktionssystems. • Erprobung und Validierung: Gewährleistung der praktischen Anwendbarkeit durch Validierung mittels einer Fallstudie und Validierung des Konzepts. Kurzbeschreibung des erarbeiteten Konzepts: Das Konzept basiert auf einem 3-Ebenen-Modell zur Gestaltung, Planung und Umsetzung von Produktionssystemen im Franchising: • Gestaltungsebene: Normative Ebene mit fünf Gestaltungsfeldern und 50 Gestaltungsbausteinen zur Modellierung des Produktionssystems: o Gestaltungsfeld 1 – Sortiment o Gestaltungsfeld 2 – Franchise-Modell o Gestaltungsfeld 3 – Produktionseinheit o Gestaltungsfeld 4 – Versorgung o Gestaltungsfeld 5 – Prozesse • Planungsebene: Planung der Pilotproduktion, Konsolidierung Pilotproduktion und Planung des Roll-Out der Franchise-Produktionseinheiten • Ausführungsebene: Operative Umsetzung und Betriebsführung Weitere Kerninhalte des erarbeiteten Konzepts sind die Ableitung einer umfassenden Sammlung an Gestaltungsparametern für Produktionssysteme, die Schaffung einer regelmäßigen Rückkopplung zur systematischen Anpassung des Produktionssystems und damit zur Gewährleistung der Wandlungsfähigkeit des Produktionssystems, die Berücksichtigung der Skalierbarkeit und Replizierbarkeit des Produktionssystems anhand eines modularen Ausbaustufenkonzepts sowie eine Szenarioplanung und Roll-Out-Planung der dezentralen Produktionseinheiten im Franchising-Netzwerk.Item Open Access Methodik zur fähigkeitsbasierten Planung modularer Montagesysteme(2011) Kluge, Stefan; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Turbulente, globale Märkte erfordern von Produktionsunternehmen zur Sicherung wirtschaft-licher Erfolge wandlungsfähige Produktionsstrukturen. Modulare Montagesysteme stellen hierzu eine Lösungsmöglichkeit dar. Spezifische Eigenschaften modularer Systeme werden in bisherigen Montageplanungssystematiken jedoch nicht ausreichend betrachtet. Eine verbesserte Planungsmethodik hat Aspekte wie die Betrachtung von zukünftigen Marktentwicklungen, die standardisierte Beschreibung von Ressourcen und Prozessen sowie die Verlagerung von Planungsaufgaben auf den Anlagenhersteller zu berücksichtigen. Auf dieser Grundlage wurde eine Methodik zur fähigkeitsbasierten Planung modularer Mon-tagesysteme für Anlagenhersteller entwickelt. Dabei wurde in der ersten Teillösung zur Be-rücksichtigung zukünftiger Entwicklungen die Szenariotechnik an die Erfordernisse der Grobplanung der Montageplanung angepasst. Die zweite Teillösung ist eine generische Beschreibungsmethode, welche auf einem Fähigkeitsmodell basiert. Die generische Beschreibungsmethode dient im Wesentlichen der dritten Teillösung, der Alternativengenerierung. Die letzte, in einem Tabellenkalkulationsprogramm umgesetzte Teillösung in Form einer systematischen, szenariobasierten, mehrdimensionalen Bewertung nutzt durch ihre spezifische Struktur die im jeweiligen Planungsfall entwickelten Szenarien für Analyse, Bewertung und Auswahl der Lösungsmöglichkeiten. Neben der Struktur stellt vor allem die umfangreiche Kostenbetrachtung über den Lebenszyklus des sich durch verschiedene Ausbaustufen verändern den Montagesystems einen Schwerpunkt der Bewertungssystematik dar. Zum Nachweis der Anwendbarkeit und Funktionsfähigkeit wurde die neu entwickelte Metho-dik als rechnergestützter Prototyp realisiert. Die Anwendung erfolgte in der Lernfabrik aIE auf Basis des im TFB 59 entwickelten, virtuellen Unternehmens EMARTi AG.Item Open Access Lernen und üben wir das Richtige? : Kritische Erfolgsfaktoren der Bewältigung des Massenanfalls von Verletzten : Ergebnisse einer FMEA und einer Analyse von MANV-bezogenen Curricula(2021) Drews, Patrick; Berger, Maximilian; Sautter, Johannes; Rohde, AnnikaDer Massenanfall von Verletzten (MANV) ist eine Ausnahmesituation für Rettungsdienst und andere Einsatzkräfte. Trotz niedriger Inzidenz müssen sich die Einsatzkräfte sowohl auf ärztlicher als auch auf nichtärztlicher Seite auf diesen Einsatzfall vorbereiten. In der vorliegenden Pilotstudie wurden anhand einer Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA) die kritischen Einsatzfaktoren im MANV ermittelt und mit den Ausbildungscurricula verglichen. Die herangezogenen Curricula waren Notfallsanitäter:in, organisatorische:r Leiter:in, Konzept zur katastrophenmedizinischen Ausbildung im studentischen Unterricht an deutschen Hochschulen, Nationaler Kompetenz-basierter Lernzielkatalog Medizin (NKLM), Zusatz-Weiterbildung Notfallmedizin und Fortbildung zum:zur leitenden Notarzt:ärztin. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass in der praktischen Ausbildung der MANV eine eher untergeordnete Rolle spielt. Weitere empirische Untersuchungen sind aus Sicht der Autoren notwendig.Item Open Access Numerical modeling of cutting characteristics during short hole drilling : modeling of kinetic characteristics(2023) Storchak, Michael; Stehle, Thomas; Möhring, Hans-ChristianAnalyzing the cutting process characteristics opens up significant opportunities to improve various material machining processes. Numerical modeling is a well-established, powerful technique for determining various characteristics of cutting processes. The developed spatial finite element model of short hole drilling is used to determine the kinetic characteristics of the machining process, in particular, the components of cutting force and cutting power. To determine the component model parameters for the numerical model of drilling, the constitutive equation parameters, and the parameters of the contact interaction between the drill and the machined material on the example of AISI 1045 steel machining, the orthogonal cutting process was used. These parameters are determined using the inverse method. The DOE (Design of Experiment) sensitivity analysis was applied as a procedure for determining the component models parameters, which is realized by multiple simulations using the developed spatial FEM model of orthogonal cutting and the subsequent determination of generalized values of the required parameters by finding the intersection of the individual value sets of these parameters. The target values for the DOE analysis were experimentally determined kinetic characteristics of the orthogonal cutting process. The constitutive equation and contact interaction parameters were used to simulate the short hole drilling process. The comparison of experimentally determined and simulated values of the kinetic characteristics of the drilling process for a significant range of cutting speed and drill feed changes has established their satisfactory coincidence. The simulated value deviation from the corresponding measured characteristics in the whole range of cutting speed and drill feed variation did not exceed 23%.