07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access 3D Texturanalyse von Computertomographiedaten für die automatisierte Qualitätskontrolle von faserverstärkten Kunststoffen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Frommknecht, Andreas; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Qualität von Faserverbundkunststoffen (FVK). FVK sind Leichtbaumaterialien, die sich durch eine hohe Steifigkeit und Festigkeit auszeichnen. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie oft in sicherheitskritischen Bereichen eingesetzt, welche umfassende zerstörungsfreie Prüfmethoden erfordern. In der Arbeit wird dargelegt, dass die röntgenbasierte industrielle Computertomographie (CT) unter den zerstörungsfreien Prüfmethoden die umfangreichsten Informationen liefert. Es wird auf verschiedene geeignete CT-Auswertemethoden insbesondere zur Erkennung von Defekten und der Analyse der Faserorientierung eingegangen. Anhand der jeweiligen Schwächen dieser Verfahren wird die zu lösende Problemstellung abgeleitet. Die in der zweidimensionalen Bildverarbeitung weit verbreitete Texturanalyse stellt sich hierbei als geeignete Basis heraus, diese Probleme zu adressieren. Allerdings ist ein zweidimensionales Verfahren nicht ausreichend, um die komplexe dreidimensionale Struktur von FVK zu erfassen. Deshalb wird in der Arbeit eine neu entwickelte 3D Texturanalyse vorgestellt, die sowohl in der Lage ist Defekte zu erkennen, als auch Faserorientierungen zu bestimmen. Auch quantitative Informationen, wie die Defektposition und größe, sind aus den erzielten Ergebnissen des entwickelten Verfahrens ableitbar. Die in C++ implementierte 3D Texturanalyse zeigt bei der systematischen Untersuchung der Leistungsfähigkeit hinsichtlich Defekterkennung und Bestimmung der Faserorientierung gute Auswertungsergebnisse. Die Laufzeit des Verfahrens kann aufgrund der großen zu verarbeitenden Datenmenge bei der Computertomographie von wenigen Minuten auf über eine Stunde ansteigen. Hier sind weitere Optimierungen notwendig. Allgemein zeigt diese Arbeit, dass das umgesetzte Verfahren, nur durch Änderung der Parametrierung, sowohl zur Analyse der Struktur in Form der Faserorientierung, als auch zur Defekterkennung geeignet ist.Item Open Access Abschätzung der Kollisionsfolgen von Robotern zur Bewertung des sicheren Einsatzes in der Mensch-Roboter-Kooperation(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Oberer-Treitz, Susanne; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer generischen, systematischen Methode zur Abschätzung der Kollisionsfolgen eines Roboters, mit der eine Bewertungsmetrik basierend auf dem Kollisionspotential des eingesetzten Roboters in der direkten physischen Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) aufgestellt wird. Dem Bedarf an immer flexibleren Automatisierungssystemen, die auch Anforderungen an ergonomische Arbeitsmittel gerecht werden, stehen vermehrt Industrierobotersysteme zur Verfügung, die in direkter Nähe zum Menschen eingesetzt werden können. Dabei lässt sich für diese Robotersysteme ein neues Sicherheitsparadigma ableiten, das vorgibt, dass die Bewertung der Sicherheit der Robotersysteme nur durch ein quantifizierbares Kollisionspotential möglich ist, um ein Robotersystem damit in der MRK auf mögliche physische Kontakte mit einem Bediener auszulegen. Dazu wird in dieser Arbeit die Methode der Kollisionsfolgenabschätzung von Robotersystemen eingeführt und mit simulationsgestützten und experimentellen Werkzeugen zur Crash-Analyse durchgeführt. Das Belastungsspektrum von Kollisionen mit Robotern wird aufgezeigt und die dabei vorliegenden Kollisionsmechanismen werden charakterisiert. Dies erfolgt mit Hilfe experimenteller Kollisionsfolgenabschätzungen mit einem eigens dazu entwickelten Kollisionsprüfstand sowie durch Modellierung der Dynamik des Roboters und einem Stoßmodell zur Abschätzung der Kollisionsfolgen. Die entsprechenden Effekte der Robotercharakteristika in der Kollision werden identifiziert und auf ihren Beitrag zum Kollisionspotential hin analysiert. Daraus werden Belastungsgrößen definiert, die zur Bewertung des Kollisionspotentials eines Robotersystems herangezogen werden müssen und entsprechende Gestaltungsmaßnahmen werden abgeleitet. Eine Bewertungsmethode für die sichere MRK wird entwickelt, die basierend auf einem Verletzungsmodell mit Beziehungen von Kollisionskonfigurationen zu relevanten Toleranzgrenzen eine Sicherheitsmodellierung vornimmt, um Robotersysteme dynamisch und sicher auf potentielle Kollisionen in der MRK einzustellen.Item Open Access Adaptierbarer Antriebsregler : ein Beitrag zur Architekturgestaltung eines neuartigen Antriebsreglers(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Simon, Antoni; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Antriebsregler adaptierbar zu machen. In dieser Arbeit wird erstmalig ein Antriebsregler in den Kontext der Adaption gestellt und die Grundmechanismen der Adaption um die Rekonfiguration erweitert. Die Analyse und Defizitextraktion des Stands der Technik und Forschung, vor dem Hintergrund der Adaption und Rekonfiguration, führen zum Bedarf einer neuen Antriebsreglerarchitektur und einer dafür notwendigen Entwicklungsmethode. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Antriebsregler auf Basis einer hybriden Rechnerarchitektur, als Kombination von FPGA- und Mikrocontrollertechnologie, erstmalig formalisiert und entworfen. Eine dafür ausgelegte modellbasierte Entwicklungsmethode zum Umgang mit einem adaptierbaren Antriebsregler vervollständigt ein neues erarbeitetes Gesamtkonzept. Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist der Entwurf und die Entwicklung notwendiger Hardwareund Softwarestrukturen, um einen Antriebsregler gemäß des definierten Formalismus und der Zielbeschreibung adaptierbar zu machen. Die hiermit erarbeitete Architektur weist einen hohen Neuigkeitsgrad auf. Ein realisierter Versuchsstand und messtechnische Untersuchungen weisen sowohl die grundsätzliche Funktionsfähigkeit eines Antriebsreglers, als auch die erarbeiteten Adaptionsmechanismen erstmalig nach.Item Open Access Adaptive Verspannung von Zahnstange-Ritzel-Antrieben(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Engelberth, Tim; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Zahnstange-Ritzel-Antriebe werden als Vorschubantriebssysteme in Werkzeugmaschinen eingesetzt. Insbesondere wenn große Verfahrwege und hohe Vorschubkräfte gefordert sind, werden diese gegenüber den ansonsten etablierten Gewindespindel-Mutter-Antrieben und linearen Direktantrieben bevorzugt. Um das Umkehrspiel im Antriebsstrang zu kompensieren und somit die Genauigkeit zu erhöhen, werden elektrisch verspannte Zahnstange-Ritzel-Antriebe genutzt. Der aktuelle Stand der Technik macht keine eindeutigen Angaben über die minimal für die Kompensation des Umkehrspiels benötigte Verspannung. Auch ist nicht geklärt, in welchen Systemzuständen die Verspannung deaktiviert werden kann, ohne die Genauigkeit zu beeinflussen. Dies führt zu einer überhöhten mechanischen Belastung sowie einem überhöhten Energiebedarf und somit zu einem insgesamt ineffizienten Betrieb des Antriebssystems. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Effizienz des Antriebssystems zu maximieren, ohne dessen Genauigkeit zu beeinflussen, indem ein Konzept zur Anpassung der Verspannung während des Betriebs entwickelt wird. Dieses neuartige Konzept wird als adaptive Verspannung bezeichnet. Zunächst wird der aktuelle Stand der Technik analysiert. Im ersten Teil der Analyse werden die meistgenutzten Antriebssysteme in Werkzeugmaschinen erläutert und miteinander verglichen, um die Relevanz und den Einsatzbereich von Zahnstange-Ritzel-Antrieben zu klären. Insbesondere der Einsatzbereich hat einen bedeutenden Einfluss auf das Einsparpotential der adaptiven Verspannung, da dieser die dynamischen Anforderungen an das Antriebssystem festlegt. Im zweiten Teil der Analyse werden Maßnahmen zur Steigerung der Bewegungsgüte von Antriebssystemen betrachtet. Neben regelungstechnischen Ansätzen sowie der Methode der mechanischen Verspannung wird die Methode der elektrischen Verspannung im Detail betrachtet. Es werden angewandte Verspannungsstrategien analysiert sowie deren Grenzen und Defizite aufgezeigt, die durch das Konzept der adaptiven Verspannung gelöst werden sollen. Außerdem werden bereits verfügbare regelungstechnische Strukturen zur Erzeugung der Verspannungvorgestellt, die für die Umsetzung der adaptiven Verspannung benötigt werden. Insgesamt zeigt die Analyse, dass der Stand der Technik bedeutend weniger technische und wissenschaftliche Literatur zu Zahnstange-Ritzel-Antrieben bereitstellt als es beispielsweise für Gewindespindel-Mutter-Antriebe der Fall ist. Umso mehr wird eine umfangreiche Untersuchung elektrisch verspannter Antriebe für notwendig erachtet, um deren Einfluss auf das Bewegungsverhalten einer Werkzeugmaschinenachse abschätzen und die adaptive Verspannung entwickeln zu können. Anschließend folgt der Hauptteil der Arbeit, der sich in zwei Themenkomplexe aufteilt. Im Themenkomplex der konstanten Verspannung werden experimentelle Untersuchungen der wichtigsten Systemeigenschaften von Zahnstange-Ritzel-Antrieben an einem Versuchsstand durchgeführt. Außerdem werden die verfügbaren regelungstechnischen Strukturen zur Erzegung der Verspannung miteinander verglichen. Die industriell etablierte Momentenausgleichsregelung wird innerhalb der Arbeit angewendet, da sich diese für die Erzeugung der Verspannung aufgrund der erzielbaren Genauigkeit am besten eignet. Die experimentellen Untersuchungen werden durch die Modellbildung und die Simulation ergänzt, sodass eine Aussage über den Einfluss der Verspannung auf die statischen und dynamischen Eigenschaften des Antriebssystems getroffen werden kann. Zusätzlich wird eine allgemeingültige Definition eines minimal für die Kompensation des Umkehrspiels notwendigen Verspannungsbetrags auf systemtheoretischer Grundlage formuliert. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden im Themenkomplex der adaptiven Verspannung drei neuartige Strategien zur Anpassung der Verspannung entwickelt und verglichen. Die Strategie des minimal verspannten Systems wird ausgewählt, da diese zu einem effizienten Betrieb des Antriebssystems im Sinne der Zielsetzung dieser Arbeit führt. Weiterhin wird die Momentenausgleichsregelung um die adaptive Verspannung erweitert. Für die erweiterte Struktur wird ein Nachweis der Stabilität erbracht. Anschließend folgt die Validierung des entwickelten Konzepts der adaptiven Verspannung anhand simulativer und experimenteller Untersuchungen. Zunächst wird validiert, dass die Strategie des minimal verspannten Systems zu einer Kompensation des Umkehrspiels führt und somit der Zielsetzung dieser Arbeit entspricht. Danach wird das adaptiv verspannte System mit dem konstant verspannten System verglichen, um den Einfluss der adaptiven Verspannung zu bewerten. Der Vergleich zeigt, dass die adaptive Verspannung eine Reduzierung der mechanischen Belastung um bis zu 14 % und eine Reduzierung des Energiebedarfs um bis zu 3 % erzielt, ohne die Genauigkeit des Antriebssystems zu reduzieren. Da es sich um eine rein softwareseitige Optimierung handelt, die keine hardwareseitige Anpassung des elektrisch verspannten Antriebssystems erfordert, wird die Hemmschwelle für die industrielle Anwendung als niedrig eingestuft. Das Konzept der adaptiven Verspannung bildet folglich eine ideale Methode zur Effizienzsteigerung elektrisch verspannter Zahnstange-Ritzel-Antriebe.Item Open Access Analyse der Dispositionskomplexität in der wertstromorientierten Variantenfertigung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Ungern-Sternberg, Roman; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)In Produkt-Produktionssystemen bedingen sich Systemstruktur und verhalten gegenseitig. Die vorherrschende Vielfalt und Dynamik in der Variantenfertigung stellt bestehende, für die Serienfertigung entwickelte Verfahren wie die Wertstromanalyse vor methodische Herausforderungen. In der Arbeit wird eine Methode zur Analyse der internen Dispositionskomplexität in der wertstromorientierten Variantenfertigung entwickelt. Theoretische Grundlage der Methode ist die Systemtheorie. Das Grundmodell zur detaillierten Beschreibung von Struktur und Verhalten basiert auf den drei zentralen Klassen Artikel, Auftrag und Arbeitssystem sowie bekannten logistischen Theorien. Die zielgerichtete und systematische Analyse orientiert sich an günstigen Systemeigenschaften, welche aus bestehenden Gestaltungsansätzen synthetisiert wurden. Mit Hilfe des iterativen Vorgehens lässt sich der Erfüllungsgrad der jeweiligen Eigenschaften ermitteln. Die Priorisierung möglicher Abweichungen erfolgt engpassorientiert anhand von fünf Engpassarten. Die zwei aufeinander aufbauenden Visualisierungen Produktnetz und Wertstrom dienen der Kommunikation und übersichtlichen Darstellung der Analyseergebnisse. Schwerpunkte der Analyse bilden die beiden logistischen Zieldimensionen Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit. Die quantitative Analyse der Dispositionskomplexität erfolgt schrittweise in insgesamt zehn, auf bekannten Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen aufbauenden Einzelanalysen. Die innere Konsistenz wird anhand der entwickelten zwölf günstigen Systemeigenschaften geprüft. Zudem wird die Methode anhand unabhängiger Anforderungen an Methoden zur Komplexitätsbewältigung geprüft. Die Methode erfüllt diese im Bereich der quantitativen Analyse vollumfänglich. Das abschließende Fallbeispiel aus der Fahrzeugzulieferindustrie zeigt die Praxistauglichkeit der Methode für eine wertstromorientierte Variantenfertigung.Item Open Access Are you sure? : prediction revision in automated decision‐making(2020) Burkart, Nadia; Robert, Sebastian; Huber, Marco F.With the rapid improvements in machine learning and deep learning, decisions made by automated decision support systems (DSS) will increase. Besides the accuracy of predictions, their explainability becomes more important. The algorithms can construct complex mathematical prediction models. This causes insecurity to the predictions. The insecurity rises the need for equipping the algorithms with explanations. To examine how users trust automated DSS, an experiment was conducted. Our research aim is to examine how participants supported by an DSS revise their initial prediction by four varying approaches (treatments) in a between‐subject design study. The four treatments differ in the degree of explainability to understand the predictions of the system. First we used an interpretable regression model, second a Random Forest (considered to be a black box [BB]), third the BB with a local explanation and last the BB with a global explanation. We noticed that all participants improved their predictions after receiving an advice whether it was a complete BB or an BB with an explanation. The major finding was that interpretable models were not incorporated more in the decision process than BB models or BB models with explanations.Item Open Access Aufgabenorientierte Roboterprogrammierung unter Berücksichtigung von geometrischen Bauteilabweichungen beim Lichtbogenschweißen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Kuss, Alexander; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die einfache und flexible Programmierung von Industrierobotern stellt eine wesentliche Herausforderung für den erfolgreichen Robotereinsatz für Produktionsaufgaben dar. In dieser Arbeit wird ein aufgabenorientiertes Programmiersystem für das robotergestützte Lichtbogenschweißen entwickelt, welches eine sensorbasierte Anpassung von Roboterprogrammen an geometrische Bauteilabweichungen bereits bei der Programmplanung ermöglicht. Zunächst werden das Gesamtkonzept des Programmiersystems und die Modellarchitektur konzipiert. Hierbei wird eine Aufgabenbeschreibung zur Repräsentation von Schweißaufgaben bei geometrischen Bauteilabweichungen entwickelt. Zudem wird ein Technologiemodell zur Modellierung und Wiederverwendbarkeit von generalisiertem Fertigungswissen über den Schweißprozess eingeführt. Darauf aufbauend werden Planungsverfahren zur automatischen Erkennung und Anpassung von Schweißaufgaben sowie zur Erstellung von entsprechenden Roboterprogrammen vorgestellt. Zudem werden Verfahren entwickelt, um mittels 3D-Sensorik geometrische Bauteilabweichungen zu bestimmen und das zugehörige Geometriemodell anzupassen. Zunächst wird ein Verfahren zur Bestimmung von Lageabweichungen basierend auf einer Variante des Iterative-Closest-Point-Algorithmus vorgestellt. Außerdem wird ein Verfahren entwickelt, das als Erweiterung der sogenannten Freiform-Deformation eine nicht-rigide Registrierung und damit eine Anpassung des Geometriemodells an Formabweichungen ermöglicht. Weiterhin wird ein Modell des Lichtbogenschweißprozesses entwickelt, um innerhalb des Programmiersystems automatisch auf die erkannten Bauteilabweichungen reagieren und die Programmplanung entsprechend anpassen zu können. Dabei erfolgt die Modellierung des Zusammenhangs zwischen Bauteilgeometrie und Schweißprozessparametern sowie die Ableitung verschiedener Strategien zur Adaption des Schweißprozesses. Das entwickelte Programmiersystem mit den Verfahren zur sensorbasierten Anpassung des Bauteilgeometriemodells und dem Modell zur Schweißprozessanpassung wird schließlich mit einer industriellen Schweißroboterzelle evaluiert. Dazu werden Schweißnähte an Versuchsbauteilen mit vorgegebenen Lage- und Formabweichungen erzeugt und den Schweißergebnissen einer Vergleichsgruppe ohne Nutzung der entwickelten Verfahren gegenübergestellt. Hierbei kann eine deutliche Erhöhung der Nahtqualität sowie eine Reduktion der Qualitätsschwankung nachgewiesen werden. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zur adaptiven Programmierung von Industrierobotern im Bereich des Lichtbogenschweißens.Item Open Access Authentifizierungsverfahren auf Basis von Selbstbeschreibungsmerkmalen cyber-physischer Produktionssysteme(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Stock, Daniel; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Cybersicherheit und die hierfür notwendigen Authentifizierungsverfahren gewinnen in einer zunehmend vernetzten Produktion zwingend an Bedeutung. Diese Vernetzung führt zur Entstehung neuer Angriffsvektoren, die ein Risiko für die IT-Sicherheit im industriellen Umfeld und somit auch für die funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit technischer Systeme darstellen. Neben der Absicherung der Netzwerke und Zugriffs-beschränkter Bereiche stellt sich hier die Frage, ob ein cyber-physisches Produktionssystem als Entität, die Zugriff auf eine andere Ressource oder Zutritt zu einem geschützten Bereich einer Infrastruktur anfragt, auch diejenige ist, die sie mittels ihrer digitalen Identität vorgibt zu sein. Die Authentifizierung der Identität einer Entität kann mit aufwendigen technischen und organisatorischen Mitteln dargestellt werden. Jedoch besteht hier ein Zielkonflikt zwischen Funktionalität, Benutzbarkeit und Sicherheit. Die physischen Komponenten von CPPS werden durch den technischen Fortschritt getrieben immer leistungsfähiger und intelligenter. Ihre Fähigkeiten können durch zusätzliche Dienste im “Cyberspace“ beliebig skalieren. Sie verfügen so über immer komplexere Self-X-Fähigkeiten, die ihren Autonomiegrad erhöhen. Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach wie eine CPPS-Selbstbeschreibung, also die Self-X-Fähigkeit Informationen über sich selbst zu übermitteln, dazu genutzt werden kann für dieses CPPS eine sichere Identität zu schaffen, die auf ihren Selbstbeschreibungsmerkmalen basiert. Der Beitrag der Arbeit liegt hierbei auf der Beschreibung eines ganzheitlichen Ansatzes zur Umsetzung von Authentifizierungsverfahren auf Grundlage von Selbstbeschreibungsmerkmalen, die als zusätzliche Maßnahmen im Rahmen einer „Defense-in-Depth“-Strategie eingesetzt werden können.Item Open Access Automatisierte Inbetriebnahme von rekonfigurierbaren Bearbeitungsmaschinen mit serviceorientierten Paradigmen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Abel, Michael; Klemm, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Rekonfigurierbare Maschinen sind ein Mittel, um die Wandlungsfähigkeit eines Unternehmens auf technischem Niveau umzusetzen. Die (Re)Konfiguration der Maschinen erfolgt dabei durch die Kombination von mechatronischen Modulen, welche die Funktionalität der Maschine bereitstellen. Nach einer Rekonfiguration müssen die Maschinen erneut zeitaufwendig in Betrieb genommen werden. Diese Arbeit stellt daher ein Konzept zur automatisierten Inbetriebnahme von rekonfigurierbaren Bearbeitungsmaschinen vor, um diese Stillstandszeiten zu minimieren. Zu Beginn werden eine Analyse und eine Systematisierung von Tätigkeiten bei der Inbetriebnahme vorgenommen. Auf dieser Basis wird ein Informationsmodell der Inbetriebnahme abgeleitet. Danach wird ein Konzept zur automatisierten Inbetriebnahme von rekonfigurierbaren Bearbeitungsmaschinen auf Basis einer maschineninternen serviceorientierten Architektur entwickelt. Im Anschluss wird eine für die automatisierte Inbetriebnahme geeignete Systemarchitektur abgeleitet. Den Kern dieser Architektur stellen innerhalb der mechatronischen Module der Maschine verteilte Dienste in Kombination mit einem Inbetriebnahmekoordinatorsystem dar. Letzteres ist nach serviceorientierten Prinzipien entworfen und nutzt eine Orchestration-Engine zur Ausführung von Inbetriebnahmetätigkeiten. Abschließend wird eine Forschungsplattform mit dem Ziel der Evaluierung von Inbetriebnahmestrategien für rekonfigurierbare Bearbeitungsmaschinen vorgestellt. Die Forschungsplattform dient einerseits der praxisnahen Erprobung des entwickelten Inbetriebnahmekonzepts und andererseits der Evaluierung von Aufbaukonzepten und den daraus resultierenden Inbetriebnahmestrategien. Das in dieser Arbeit entworfene Inbetriebnahmekonzept für rekonfigurierbare Maschinen stellt einen weiteren Schritt in Richtung einer Praxis-Einführung dieses Maschinentyps dar, da dieser Maschinentyp erst dadurch zu einem wirtschaftlichen Einsatz in der Praxis befähigt wird.Item Open Access Automatisierte Messablauferzeugung und 3D-Datenauswertung in der Multisensor-Koordinatenmesstechnik(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Effenberger, Ira; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)In der industriellen Fertigung gewinnt die vollständige Erfassung und Prüfung der Geometrie von komplexen Bauteilen oder Baugruppen zunehmend an Bedeutung. Die gewonnenen Daten bilden im Rahmen der Entwicklung die Grundlage für komplexe Simulationen auf Basis der realen Werkstückgeometrie, im Bereich der Qualitätssicherung sind sie die Grundlage für die Optimierung der Herstellungsprozesse und Sicherstellung der Produktqualität. Seit einigen Jahren sind dafür Multisensor-Koordinatenmessgeräte etabliert, die durch den flexiblen Einsatz unterschiedlichster Sensoren die Möglichkeit bieten, verschiedene Bereiche am Werkstück jeweils anforderungsgerecht und effizient zu erfassen. Die effiziente Anwendung solcher Multisensor-Systeme setzt aufgrund ihrer Komplexität allerdings ausgeprägtes Vorwissen und Erfahrung des Anwenders voraus. In dieser Arbeit werden Verfahren zur automatisierten, geometriebasierten Messablauferzeugung und 3D-Datenauswertung für Multisensor-Koordinatenmessgeräte vorgestellt, die eine intelligente Unterstützung des Anwenders ermöglichen. Zunächst werden, ausgehend von den ermittelten Defiziten der aktuell verfügbaren Systeme, Anforderungen an die zu entwickelnden Verfahren formuliert und ein geeignetes, modulares Softwarekonzept abgeleitet. Neben Algorithmen zur Aufbereitung von CAD-Modellen liegt der Fokus der Arbeiten auf automatisierten Verfahren zur Berechnung von Sollpunkten auf CAD-Modellen, die eine Datenerfassung mit unterschiedlichen Sensoren erlauben. Hierbei muss auch die Sensorpositionierung berücksichtigt werden, mögliche Kollisionen erkannt sowie Strategien zur automatischen Umfahrung bereitgestellt werden. Darüber hinaus werden intelligente Verfahren zur Auswertung der Messpunkte vorgestellt, wobei ein besonderes Augenmerk auf große Messpunktwolken, die beispielsweise bei Anwendung der Computertomographie entstehen, gelegt wird. Abschließend wird die Funktionalität der umgesetzten Verfahren in Anwendungstests zur kombinierten Messung mit mehreren Sensoren und zur automatisierten Ausrichtung von CAD-Modell und Messpunktwolke gezeigt und die erzielten Ergebnisse ausgeführt.Item Open Access Automatisiertes Test- und Evaluierungsframework für die Servicerobotik(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Weißhardt, Florian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die erfolgreiche Umsetzung von komplexen Serviceroboteranwendungen ist trotz des Fortschritts bei der Auswahl an verfügbaren Hard- und Softwarekomponenten weiterhin eine Herausforderung. Insbesondere im Bereich der Servicerobotik gibt es eine Vielzahl an Anwendungen, die sich durch dynamische und oftmals unbekannte Randbedingungen auszeichnen und daher eine umfangreiche und komplexe Steuerungssoftware benötigen. Weiterhin zeichnet sich die Servicerobotik durch eine hohe Abhängigkeit der einzelnen Hardware- und Softwarekomponenten aus, sodass die Integration von Komponenten in das Gesamtsystem und insbesondere die Durchführung von einzelnen Komponenten und Systemtests erschwert wird. Bisherige Entwicklungsmethoden, Testframeworks und Werkzeuge zur kontinuierlichen Integration unterstützen den Komponentenentwickler bei der Erstellung und Durchführung von Unittests, jedoch existieren wenige Werkzeuge, die speziell für die Herausforderungen der Servicerobotik umfassende Möglichkeiten zur Unterstützung bei der Systemintegration bieten. In dieser Arbeit wird die Methode des Test-Driven-Development für die Servicerobotik aufgegriffen und um ein Werkzeug zum Testen und Vergleichen von komponentenbasierter Software erweitert, das sich für Integrationstests und Benchmarkingvergleiche nutzen lässt. Dazu wird ein Test- und Evaluierungsframework, das Automated Test Framework (ATF) konzipiert und umgesetzt. Das ATF ist ein einfach in bestehende Anwendungen zu integrierendes Framework, das es ermöglicht Servicerobotik-Anwendungen zu testen und verschiedene Varianten miteinander zu vergleichen. Mithilfe von ATF kann der Aufwand für die Erstellung, Durchführung und Auswertung von Tests deutlich gesenkt werden. Im Rahmen von Anwendungsbeispielen aus verschiedenen Bereichen der Servicerobotik wird der Einsatz von ATF aufgezeigt und dessen Nutzen erfolgreich nachgewiesen und evaluiert. Insbesondere kann in einem Anwendungsbeispiel zu einem Systemtest für die Navigation eine Aufwandsreduktion um den Faktor 10 nachgewiesen werden.Item Open Access Autonome Verhakungserkennung und Enthakung beim Griff-in-die-Kiste mit einem Industrieroboter(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Moosmann, Marius; Huber, Marco F. (Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.)In dieser Arbeit wird eine Methode zur Verhakungserkennung und Enthakung für eine Griff-in-die-Kiste-Applikation vorgestellt. Hierfür werden maschinelle Lernverfahren eingesetzt, welche eine effiziente, skalierbare und flexible Lösung ermöglichen. Nach der Erfassung des Tiefenbildes von chaotisch gelagerten Werkstücken in einer Kiste, werden deren Lagen durch eine Objektlageerkennung erfasst und die Tiefeninformation in Form eines Tiefenkartenzuschnitts an einen binären Klassifikator übergeben, welcher anhand eines künstlichen neuronalen Netzes die Verhakungswahrscheinlichkeit schätzt. Der Klassifikator wird mit synthetisch generierten Datenbeispielen trainiert, welche vor dem Training durch Transfermethoden an die Realität angenähert werden. Die Prognosen werden als Kosten in einer Heuristik zur Greifplanung berücksichtigt. Um nach einer Verhakungserkennung verhakte Werkstücksituationen mit einem Industrieroboter auflösen zu können, wird in dieser Arbeit eine Methode zur Enthakung vorgestellt. Über die verhakte Werkstücksituation wird eine Hemisphäre mit möglichen zusätzlichen Pfadposen aufgespannt und diese Posen bewertet und die für eine Enthakung bestmögliche Pose durch zwei überwachte und eine bestärkende Lernmethode prognostiziert. Durch zusätzliche Orientierungsänderungen an den Pfadposen und einem Ablehnungskriterium für unmöglich zu lösende Verhakungen, sowie dem Transfer der in einer Simulation trainierten Methoden in die Realität, werden die ausgewählten Pfadposen kollisionsgeprüft an eine Greifplanung übergeben. Die Greifplanung übergibt die berechneten Pfadposen an eine Robotersteuerung, welche die Entnahme und Enthakung durchführt. Zum Abschluss wird die in dieser Arbeit entwickelte Methode zur Verhakungserkennung und Enthakung in einer realen Roboterzelle experimentell validiert und gezeigt, dass die Entwicklung zu einer Effizienzsteigerung und gesteigerten Robustheit eines Griff-in-die-Kiste-Gesamtsystems führt.Item Open Access Ein Beitrag zur modellgestützten biomechanischen Einordnung und Auslegung arbeitsergonomischer Exoskelette(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Tröster, Mark; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Eine große Herausforderung für Industrienationen ist die Sicherstellung der effektiven, nachhaltigen und menschgerechten Wertschöpfung in einer Gesellschaft im demographischen Wandel. Arbeitsergonomische Exoskelette versprechen flexible Entlastung bei physisch anspruchsvollen Tätigkeiten. Sie bieten Chancen zur Gestaltung attraktiver und menschzentrierter Arbeit. Dennoch ist die präventive Wirkung und deren zugrundeliegenden biomechanischen Wirkmechanismen zur Reduktion von muskuloskelettalen Beschwerden noch nicht hinreichend verstanden. Diese Arbeit leistet deshalb einen Beitrag zur biomechanischen Einordnung und Auslegung unter Verwendung von muskuloskelettalen Menschmodellen. Der entwickelte modellbasierte Lösungsansatz, eingebettet in einem iterativen Vorgehensmodell, kombiniert Exoskelett- und Menschdynamik und erlaubt damit Anwendungs-, Bewegungs- und Exoskelett-Charakteristika in einem System zu untersuchen. In der ersten Anwendung wurden den Rücken beanspruchende Tätigkeiten mit einem generischen Exoskelett-Modell anhand sportphysiologischer und anwendungsorientierter Bewegungen untersucht. Die Analyse zeigt in der Lumbalkompression, Metabolik und einem biomechanischen Beanspruchungsscore des unteren Rückens sich charakteristisch unterscheidende Wirksamkeitstendenzen beeinflusst durch Bewegungstechnik, Unterstützungsintensität und Anwendungsrandbedingungen. In der zweiten Anwendung wurde in einer Anwendungs- und Bewegungsanalyse eine Schulterunterstützung auf eine manuelle Schub-, Zug- und Überkopfbewegung ausgelegt und verbessert. Dabei wurde der Schultermechanismus hinsichtlich lokaler und globaler biomechanischer Beanspruchung und Schulterstabilität angepasst und eingeordnet. In der abschließenden Validierung des Lösungsansatzes wurden anhand zweier Ansätze modellierte und gemessene Muskelbeanspruchungen und Interaktionskräfte in der mechanischen Exoskelett-Mensch-Schnittstelle verglichen. Die Ergebnisse zeigen im Trend eine Übereinstimmung der Modelle für höher beanspruchte Muskelpartien und Schnittstellenmodellierung mit und ohne Berücksichtigung von mechanischen Schnittstellensteifigkeiten.Item Open Access Bewertung elektroadhäsiver Greifer für die industrielle Handhabung von Blechteilen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Defranceski, Aline; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die moderne Produktion erfordert eine flexible Reaktion auf die Verbraucherwünsche. In der Fertigungsautomatisierung entsteht so der Bedarf nach hoch dynamischen und an die Produktionserfordernisse anpassbaren Fertigungssystemen. Handhabungssysteme müssen in der Lage sein, eine hohe Varianz an Werkstücken zu fördern. Herkömmlich industriell eingesetzte Greifer sind auf Grund ihrer physikalischen Eigenschaften in ihrer Anwendungsbreite zum Teil stark begrenzt. Die Forderung nach Greifern mit einer höheren Flexibilität führt zu Entwicklungen alternativer Greifprinzipien, wie dem elektroadhäsiven Greifen. In dieser Arbeit wird das elektroadhäsive Greifprinzip für den Einsatz von Pick & Place-Anwendungen von Blechen in (teil-)automatisierten Prozessen auf seine Industrietauglichkeit untersucht. Ziel ist es, insbesondere die Tauglichkeit hinsichtlich Flexibilität und Einsatzbreite zu ermitteln, um so eine Abschätzung treffen zu können, ob elektroadhäsive Greifer als Alternative zu herkömmlich industriell eingesetzten Greifsystemen Anwendung finden können. Dazu werden Rechenmodelle aufgestellt, die die theoretische Einsatzfähigkeit der Technologie ermitteln sollen. Diese werden anschließend um Faktoren erweitert, welche nicht optimale Handhabungsprozesse abbilden, um so eine verbesserte Abschätzung hinsichtlich der Prozesstauglichkeit elektroadhäsiver Greifer treffen zu können. In einem zweistufigen praktischen Experiment wird das Verhalten realer Greifer untersucht. Zuerst werden anhand optimaler Werkstücke die Einflüsse unterschiedlicher Greifer- und Werkstückparameter auf die Haltekraft ermittelt. In einem zweiten Experiment wird die Prozesssicherheit und Anwendungsbreite eines kommerziell erhältlichen Greifers an einem Blechteilsatz erarbeitet, welcher typische Bearbeitungsmerkmale einer Laserschneidanlage aufweist und somit nicht optimale Handhabungseigenschaften hat. Die Experimente werden anschließend den theoretischen Rechenmodellen gegenübergestellt. Die Aussagefähigkeit der jeweiligen Rechenmodelle hinsichtlich des realen Verhaltens des elektroadhäsiven Greifers wird ermittelt und somit eine Abschätzung hinsichtlich der Tauglichkeit für den industriellen Einsatz gegeben.Item Open Access Biomechanical analysis of stoop and free-style squat lifting and lowering with a generic back-support exoskeleton model(2022) Tröster, Mark; Budde, Sarah; Maufroy, Christophe; Andersen, Michael Skipper; Rasmussen, John; Schneider, Urs; Bauernhansl, ThomasMusculoskeletal disorders (MSDs) induced by industrial manual handling tasks are a major issue for workers and companies. As flexible ergonomic solutions, occupational exoskeletons can decrease critically high body stress in situations of awkward postures and motions. Biomechanical models with detailed anthropometrics and motions help us to acquire a comprehension of person- and application-specifics by considering the intended and unintended effects, which is crucial for effective implementation. In the present model-based analysis, a generic back-support exoskeleton model was introduced and applied to the motion data of one male subject performing symmetric and asymmetric dynamic manual handling tasks. Different support modes were implemented with this model, including support profiles typical of passive and active systems and an unconstrained optimal support mode used for reference to compare and quantify their biomechanical effects. The conducted simulations indicate that there is a high potential to decrease the peak compression forces in L4/L5 during the investigated heavy loaded tasks for all motion sequences and exoskeleton support modes (mean reduction of 13.3% without the optimal support mode). In particular, asymmetric motions (mean reduction of 14.7%) can be relieved more than symmetric ones (mean reduction of 11.9%) by the exoskeleton support modes without the optimal assistance. The analysis of metabolic energy consumption indicates a high dependency on lifting techniques for the effectiveness of the exoskeleton support. While the exoskeleton support substantially reduces the metabolic cost for the free-squat motions, a slightly higher energy consumption was found for the symmetric stoop motion technique with the active and optimal support mode.Item Open Access Bohrbearbeitung von Stahl und CFK unter Einsatz von Minimalmengen-Trockenschmierung auf Basis von Graphit(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Beckenlechner, Robert; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Das primäre Ziel dieser Arbeit ist es, den Schmiereffekt eines neuartigen Kühlschmierverfahrens auf Basis von Graphit für die Bohrbearbeitung von Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) zu untersuchen. Sekundäres Ziel ist die Bereitstellung einer Methode zur systematischen Bestimmung des sich im Bohrprozess einstellenden Reibungskoeffizienten mit Schmierstoffeinsatz. Anhand von Sprühtests werden das Prozessfenster der aufgebauten Trockenschmieranlage ermittelt sowie signifikante Faktoren auf die ausströmenden Schmierstoffmengen identifiziert. Zum Nachweis des Schmiereffekts werden der Bohrerverschleiß und die Zerspankraftkomponenten während realer Bohrversuche betrachtet. Die in dieser Arbeit vorgestellte Methode basiert auf der Kombination tribologischer Modellversuche, FEM-Bohrsimulationen und experimentellen Bohrversuchen. Mit steigendem Luftvolumenstrom nimmt der Graphitmassenstrom annähernd linear zu. Dabei kann mit kugelförmigem Graphitpulver ein deutlich höherer Graphitmassenstrom als mit plättchenförmigem erzielt werden. Die Zugabe von Siliziumdioxid als Antiagglomerat hat einen negativen Effekt auf den Graphitausstoß. Während beim Bohren von CFK keine eindeutige Schmierwirkung mit Graphiteinsatz erkannt wird, kann diese bei Stahl anhand signifikant geringerer Schnittkräfte und deutlich geringerem Bohrerverschleiß nachgewiesen werden. Eine H2O-Anreicherung der Leitungsdruckluft hat im untersuchten Prozessfenster keinen Einfluss auf die Schmierwirkung des Graphits. Die Methode zur Bestimmung des realen Reibungskoeffizienten während des Bohrprozesses funktioniert im Beispiel des vorgestellten Trockenschmierverfahrens gut.Item Open Access Cloud-based cooperative long-term SLAM for mobile robots in industrial applications(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Dörr, Stefan; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Mobile Roboter wie fahrerlose Transportsysteme (FTS) erfahren seit Jahrzehnten zunehmend Anwendung für intralogistische Aufgaben im Bereich der industriellen Produktion und Logistik. Um die benötigten Verfügbarkeiten dieser industriellen Anforderungen zu erreichen, benötigen derzeitig kommerziell verfügbare Navigationslösungen zumeist zusätzliche in die Umgebung eingebrachte Infrastruktur, wie magnetische Leitlinien oder retro-reflektive Marker, oder sind begrenzt auf Anwendungsgebiete mit stark strukturierten, unveränderlichen Umgebungen. Die derzeit steigende Nachfrage nach hochflexiblen FTS, welche auch im dynamischen Umfeld und in nicht-abgetrennten Arbeitsbereichen mit Menschen und anderen Fahrzeugen effizient navigieren, kann mit diesen Lösungen nur unzureichend befriedigt werden. Navigationslösungen, die diesen hohen Anforderungen gerecht werden, müssen vielmehr über einen gesteigerten Autonomiegrad verfügen und gleichzeitig bestehende Anforderungen hinsichtlich Verfügbarkeit und Präzision aufrechterhalten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung entsprechender Navigationsverfahren unter Ausnutzung aktueller Entwicklungen im Bereich der Industrie 4.0 und Cloud-Robotik. Konkret wird ein cloud-basiertes, kooperatives Navigationsverfahren vorgestellt, welches die Vernetzung der Roboter untereinander sowie die Ausnutzung externer Rechenressourcen auf Cloud-Servern integriert. Um derzeitige Beschränkungen im Bereich der drahtlosen Datenübertragung zu berücksichtigen, verbleiben dabei Basis-Navigationsfähigkeiten auf den mobilen Robotern, wodurch deren Navigationsfähigkeit auch bei Netzwerkverbindungsabbrüchen aufrecht erhalten wird. Auf Cloud-Servern ausgelagerte, kooperative Navigationsverfahren sorgen hingegen für die notwendige Langzeitstabilität der Navigation, auch in herausfordernden Umgebungen. Eine Schlüsselfähigkeit des kooperativen Navigationssystems ist das Generieren von stets aktuellen Umgebungskarten für Lokalisierung und Pfadplanung basierend auf den Sensorbeobachtungen der gesamten Roboterflotte. Hierfür wird ein kooperativer Long-Term Simultaneous Localization and Mapping (LT-SLAM)-Ansatz präsentiert, bei welchem jeder Roboter detektierte Kartenänderungen an den cloud-basierten LT-SLAM-Server überträgt. Dieser fusioniert die eingehenden Karteninformationen in eine konsistente, globale Karte und stellt diese den einzelnen Robotern in Form von Karten-Updates zur Verfügung. Zusätzlich wird ein Verfahren zur gegenseitigen Detektion der Roboter und zum Austausch von Lokalisierungsinformationen integriert. Ein weiterer Fokus der Arbeit liegt auf der EntwickSummary lung einer Kartenrepräsentation, welche die vielfältigen und teils konträren Anforderungen dieser Applikationen erfüllt. Sowohl Wirksamkeit als auch praktische Anwendbarkeit werden anschließend in verschiedenen Simulations- und Echtwelt-Experimenten nachgewiesen. Dabei überzeugt der vorgestellte Ansatz insbesondere in erhöhter Lokalisierungspräzision und -robustheit, kürzeren Navigationswegen gegenüber unvernetzten Ansätzen sowie moderaten Netzwerkauslastungen.Item Open Access Cradle-to-gate life cycle assessment of cylindrical sulfide-based solid-state batteries(2024) Rietdorf, Chantal; De la Rúa, Cristina; Kiemel, Steffen; Miehe, RobertPurposeSolid-state batteries (SSBs) are a current research hotspot, as they are safer and have a higher energy density than state-of-the-art lithium-ion batteries (LIBs). To date, their production only occurs on a laboratory scale, which provides a good opportunity to analyze the associated environmental impacts prior to industrialization. This paper investigates the environmental impacts of the production of cylindrical SSB, to identify environmental hotspots and optimization potentials.MethodsHere, an attributional cradle-to-gate life cycle assessment (LCA) is performed, focusing on SSBs that use a NMC811/lithium germanium phosphorous sulfide (LiGPS) composite cathode, a sulfide-based solid separator electrolyte, and a lithium metal anode. The life cycle impact assessment (LCIA) is performed in Umberto 11 using the Environmental Footprint 3.1 method with primary and literature data and the Evoinvent 3.9 database for background data.Results and discussionThe results show climate change impacts of 205.43 kg CO2 eq./kwh (for the base case), with hotspots primarily attributable to the electrolyte and cathode production, and more specifically to the LiPS and LiGPS synthesis as well as to the cathode active material. Additionally, the scenario analysis shows that an upscaling of the LiPS and LiGPS synthesis reduces environmental impacts across all assessed impact categories. In addition, it was shown that the use of an in situ anode further improves the overall environmental performance, while the use of alternative cathode active materials, such as NMC622 and LFP did not lead to any improvements, at least with reference to the storage capacity.ConclusionThe article highlights the environmental hotspots of sulfide-based SSB production, namely electrolyte and catholyte synthesis. The results show that upscaling the synthesis reduces the environmental impact and that cells with higher energy density show a favorable environmental performance. However, SSBs are still in the development stage and no final recommendation can be made at this time.Item Open Access Data-efficient reinforcement learning with Bayesian neural networks(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Wu, Xinyang; Huber, Marco (Prof. Dr.-Ing. habil.)Artificial Intelligence (AI) and Machine Learning (ML) have propelled significant advancements across numerous domains, with deep Reinforcement Learning (RL) emerging as a critical solution for complex control tasks. While traditional Neural Networks (NNs) enhance performance and learning capacity, they often exhibit overconfidence and lack uncertainty information in their predictions, which can compromise optimal decision-making in stochastic environments. This thesis elucidates the potential of Bayesian Neural Networks (BNNs), which reconcile the predictive capacities of NNs with the probabilistic rigor of Bayesian inference, offering a robust paradigm for uncertainty quantification. An innovative approach is introduced, employing the Kalman filter, a powerful tool for state estimation in dynamic systems, to enable efficient online learning of BNNs. The effectiveness and efficiency of this approach are validated on standard ML datasets. Beyond providing a theoretical exposition of BNNs, the thesis pioneers the integration of BNNs within both model-free and model-based RL frameworks. The objective is to utilize the uncertainty quantification capabilities of BNNs to improve learning efficiency and safety performance of RL algorithms, over- coming challenges associated with overconfidence and uncertain predictions. The practical efficacy of the proposed methodologies is validated through experiments on classic control problems and complex robotic tasks. The empirical results underscore significant improvements in learning efficiency and safety performance, proving the theoretical merits of integrating BNNs with RL. In conclusion, this thesis offers an in-depth exploration into the fusion of BNNs and RL, presenting innovative methodologies that incorporate uncertainty information into RL paradigms. The insights and methodologies proposed serve as a springboard for future research, moving us closer to the realization of RL’s full potential in real-world applications.Item Open Access Decarbonization drivers and their impact on business models in the energy-intensive manufacturing industry (EIMI)(2024) Mais, Franziska; Bauernhansl, ThomasEIMIs face the challenge of adapting to the Paris Agreement and the European Green Deal to achieve carbon neutrality. Driven by consumer interest in low-carbon products, regulatory requirements, and investor priorities, companies are pressured to integrate sustainability beyond short-term financial gains. The growing awareness of the environmental impact of business models (BM) has fueled the development of Sustainable Business Models (SBMs). Although the importance of decarbonization of EIMIs has increased, there is a lack of industry-specific research examining the combination of decarbonization and business models, as well as their interrelationships and correlations. This study addresses the discussion on the role of SBMs in decarbonization, improving the understanding of how these drivers can be integrated to enable new BMs for EIMIs. Based on a structured literature review and semi-structured interviews within the EIMIs, the study identifies BM components influenced by these drivers requiring sustainable business model innovation (SBMI). Results show that decarbonization drivers significantly impact all BM components. Experts emphasize the importance of collaborative approaches and cooperation throughout the value chain. This research highlights the need for systematic analysis to understand how companies can manage decarbonization drivers effectively and suggests exploring potential SBM design options.