07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Geometrieanalyse und menschzentrierte Untersuchung zur markenspezifischen Formgebung von Produkten mit unterschiedlicher Aufbaugestalt(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Fischer, Matthias Sebastian; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Ganzheitliche Analyse und Optimierung der Systembelastungen schnell drehender Hochdruck-Radialventilatoren(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Recker, Stefan; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)Die Arbeit beschäftigt sich mit der umfassenden Untersuchung und Optimierung der Systembelastungen bei schnell drehenden Hochdruck-Radialventilatoren. Durch ein systematisches Vorgehen und gewonnene Erkenntnisse ermöglicht sie die Anwendung hoher Drehzahlen in Kombination mit der bewährten und kostengünstigen Blechbauweise von Laufrad und Gehäuse. Dies führt zu neuen Ventilatorentypen mit bisher nicht verfügbarer Effizienz und Betriebspunkten. Die herkömmlichen Blechbauweise-Ventilatoren sind meist ineffizient und bauen sehr groß, während Ventilatoren mit Freiformlaufrädern kompakter sind, aber teurer in der Herstellung. Die Arbeit schließt eine Marktlücke, indem sie schnell drehende Ventilatoren mit hoher Effizienz in kostengünstiger Blechbauweise untersucht. Die Studie analysiert und bewertet die auftretenden Belastungen im Ventilator, insbesondere die Lagerkräfte. Durch Lagerkraftmessungen und ein entwickeltes Vorauslegungsprogramm können effizient ausgelegte Ventilatoren hinsichtlich Lagerkräften und Lebensdauer vorhergesagt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wahl des Nennbetriebspunktes die lasttechnisch optimale Auslegungsdrehzahl beeinflusst, des Weiteren werden Maßnahmen zur Optimierung der Lebensdauern gefunden. Nach Festlegung der belastungsoptimalen Basisparameter erfolgt die Feingestaltung des Ventilators. Potenziell problematische Eigenfrequenzen werden analysiert und optimiert, um Resonanzen zu vermeiden. Die Arbeit betrachtet zudem den Fliehkrafteinfluss auf das hochbelastete Blechlaufrad mit Optimierungsmöglichkeiten durch den Einsatz von hochfesten Werkstoffen und Reduzierung von Kerbspannungen. Die vorgestellten Methoden und Optimierungsmöglichkeiten werden anhand zweier entwickelter Ventilatoren bewertet. Der direkte Vergleich mit anderen Herstellern bestätigt einen bis zu 30 % höheren Luftwirkungsgrad und kompakte, kostengünstige Blechbauweise. Die Arbeit schließt mit einem Leitfaden zur Analyse und Optimierung der Systemlasten.Item Open Access Investigation of a large‐scale adaptive concrete beam with integrated fluidic actuators(2022) Burghardt, Timon; Kelleter, Christian; Bosch, Matthias; Nitzlader, Markus; Bachmann, Matthias; Binz, Hansgeorg; Blandini, Lucio; Sobek, WernerAs the world population keeps growing, so does the demand for new construction. Considering material resources are limited, it will be unfeasible to meet such demand employing conventional construction methods. A new resource‐saving approach is provided by adaptive structures. Using sensors, actuators and control units, structures are enabled to adapt to loads, for example, to compensate for deformations. Since deformations are dominant in the design of bending‐stressed load‐bearing structures, adaptivity enables such structures to be realized using less material and achieving the same load‐bearing capacity in comparison to conventional designs. This article presents a concrete beam of typical building dimensions that compensates deflections by means of integrated fluidic actuators. These actuators offer the possibility of reacting optimally to general loading. The investigation is carried out on an approximately 4‐m‐long beam with integrated hydraulic actuators. To ensure the overall functionality, accurate dimensioning of the beam as well as the hydraulic system is mandatory. Analytical design of the beam and actuation system are carried out for predimensioning. Experimental testing validates the function and demonstrates that the adaptive beam works as predicted. A fully compensation in deflection is possible. Therefore, a significant increase in load‐bearing capacity is possible with the same material input compared to conventional beams.Item Open Access Challenges of using augmented reality to support an efficient and error-free assembly in complex variant environments(2023) Dausch, Valesko; Roth, Daniel; Kreimeyer, Matthias; Bohr, SebastianItem Open Access Auslegung und Entwurf adaptiver Strukturen und Systeme mit Formgedächtnislegierungen(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2021) Hein, Andrea; Maier, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Steigende Individualisierung, neue Technologien und die Forderungen nach Leichtbau, Systemzuverlässigkeit und der Reduktion eingesetzter Ressourcen bestimmen die zukünftigen Konzepte neuer Produkte. Dabei kommen passive und mechatronische Systeme häufig an ihre Grenzen. Um sich den unterschiedlichen Randbedingungen optimal anzupassen, werden intelligente Strukturen und adaptive Elemente immer wichtiger, integrierte Funktionen gewinnen an Bedeutung und moderne Strukturen (smart und adaptiv) rücken in den Fokus der Entwicklungen. Ein wichtiger Bestandteil sind dabei Smarte Materialien, die durch steuerbare Eigenschaften neuartige und effiziente Produkte generieren. Zu den SM die zunehmend erforscht werden, zählen beispielsweise thermische Formgedächtnislegierungen (FGL), die durch ihre spezielle Eigenschaft, sich nach einer Verformung an ihre ursprüngliche Form zu erinnern, zur Entwicklung leichter, leistungsfähiger, energieeffizienter und innovativer Lösungen führen. Die entstehenden adaptiven Strukturen und Systeme (ASS) und deren Einsatz bei zukünftigen Konzepten ermöglichen eine optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebszustände sowie an unterschiedliche Nutzer und Aufgaben. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist daher die Erarbeitung einer Vorgehensweise zur Auslegung und zum Entwurf von ASS mit FGL im Kontext des Technischen Designs. Im Besonderen geeignet sind Anwendungen aus dem Bereich des Technischen Designs, die durch die Kombination von Technik, Ergonomie und Design die Hauptvorteile der FGL wie geringer Platzbedarf (Bauraum), niedriges Gewicht (Leichtbau), geringe Anzahl an Komponenten (Komplexität) und geräuschloser Betrieb (Komfort) optimal nutzen. Zur Entwicklung der Vorgehensweise und der Untersuchung des Zusammenwirkens der Elemente des Gesamtsystems wurden zunächst die relevanten Grundlagen erarbeitet. Dazu erfolgten Untersuchungen zu den Gebieten Ergonomie durch die Anthropometrie und Mensch-Maschine-Schnittstelle, Design in Bezug auf die Produktgestalt sowie Technik durch Aufbaugestalt, Regelung, smarte Materialien und FGL. Darauf aufbauend wurde eine Definition zum Entwurf und zur Gliederung von ASS abgeleitet. Auf Basis dieser Erkenntnisse fand die Untersuchung des Aufbaus von ASS, mit dem Fokus auf sich beeinflussende Parameter statt. Auf die theoretische Untersuchung folgten der Aufbau und Test von Struktur-Prototypen. Dazu wurden die erarbeiteten Erkenntnisse in Simulationen und Prototypen umgesetzt, um die Parameter zu evaluieren und zu vervollständigen. Final wurden Richtlinien für die Auslegung und Entwicklung von ASS mit FGL abgeleitet. Enthalten sind Beschreibungen, Anforderungen und Empfehlungen zur Auslegung der aktiven und passiven Struktur. Abschließend fand die Analyse eines anwendungsbezogenen Prototyps statt. Es zeigte sich, dass durch die Richtlinien die Beachtung wichtiger Anforderungen effizient und vollständig ermöglicht wird. Das Zusammenführen der gesamten Ergebnisse stellt das Vorgehen zur Entwicklung von ASS dar.Item Open Access Untersuchung von Modellen und Werkzeugen der Produktgestaltung und deren adaptive Einbindung(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2022) Oberhofer, Felix; Maier, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Die Arbeit befasst sich mit dem Einsatz von Produktmodellen und deren korrespondierenden Werkzeugen für bewertende und gestaltende Aufgaben innerhalb der nutzerzentrierten Produktentwicklung. Verkürzte Entwicklungszeiten, gestiegene Kundenanforderungen und Produktkomplexität sowie Länder und Grenzen übergreifende Zusammenarbeit führen zu einem zunehmend vernetzten, interdisziplinären und digitalisierten Entwicklungsprozess. Die hieraus resultierende Vielfalt an möglichen Produktmodellen und Werkzeugen erschwert deren zielgerichtete Auswahl und Anwendung erheblich. Von besonderer Bedeutung ist dabei das Zusammenwirken technischer, gestalterischer und ergonomischer Aspekte, wie sie im Technischen Design verankert sind, da insbesondere hierbei nach wie vor eine ideale Verteilung analoger/physischer und virtueller/digitaler Anteile bei der Produktgestaltung notwendig ist. Basierend auf dieser Problemstellung leitet sich das Ziel der Entwicklung eines Ansatzes zur optimalen Modell-Werkzeug-Auswahl ab. Hierfür wurden zunächst die Grundlagen bezüglich der Zusammenhänge von Modellen und Werkzeugen, die damit verbundenen Anforderungen und Tätigkeiten der nutzerzentrierten Produktentwicklung sowie dem Einsatz und der Wahrnehmung von Produktmodellen und Werkzeugen erarbeitet. Auf dieser Basis wird das theoretische Vorgehen des Ansatzes hergeleitet. Dieses baut auf den Grundbestandteilen Aufgabe, Modell und Werkzeug sowie den grundlegenden Tätigkeiten am Modell Gestalten, Darstellen und Transfer auf. Zentraler Aspekt des Ansatzes für die Auswahl von Modellen ist die anwenderspezifische Wahrnehmung dieser. Hierfür wurde eine Probandenstudie definiert und durchgeführt. Differenziert nach der Repräsentationsform und Detaillierung von Modellen wurde die Abweichung zwischen einer Bewertung am Modell und am Produkt sowie eine subjektive Einschätzung der Modelle aus Anwendersicht ermittelt. Für die Überführung und Anwendung dieser Erkenntnisse erfolgt abschließend die Erarbeitung eines Modell-Werkzeug-Entscheidungs-Prozess (MWEP). Dieser wurde anhand konkreter Anwendungsbeispiele des Technischen Designs validiert. Die Durchführung des MWEP bestätigt eine zielgerichtete Modell- und Werkzeugwahl und kann bei den analysierten Problemsituationen eine modellbedingte Verbesserung aufzeigen.Item Open Access Function integration in additive manufacturing: a review of approaches(2023) Tüzün, Gregory-Jamie; Roth, Daniel; Kreimeyer, MatthiasItem Open Access Methodik zur Entwicklung von adaptiven Interfacesystemen in mobilen Maschinen(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Kaufmann, Andreas; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit behandelt die methodische Entwicklung adaptiver Interfacesysteme in mobilen Maschinen. Bei den bereits zur Verfügung stehenden methodischen Ansätzen zur Produktentwicklung, im Speziellen zur Entwicklung von adaptiven Mensch-Maschine-Schnittstellen, existiert keine zufriedenstellende Methodik für den geforderten Anwendungskontext. Diese Forschungslücke wird durch Experteninterviews, die mit der Delphi-Methode durchgeführt werden, validiert. Hierbei werden zusätzlich sämtliche Einflussparameter, die zur Entwicklung von adaptiven Interfacesystemen dienen, erfasst. Außerdem werden Einflussparameter generiert, welche eine Bedienfunktionskategorisierung hinsichtlich einer virtuellen bzw. realen Bedienung ermöglichen. Sämtliche Parameter werden einerseits durch die entwickelten Methoden im Entwicklungsprozess berücksichtigt, dienen andererseits auch als Bewertungsparameter innerhalb dieser Methoden. Die entstandene Methodik setzt sich aus insgesamt fünf neu entwickelten Methoden, der Fokusgenerierung (FG), der Funktions- Zuordnungsmethode (FZM), der Komplexitätsmethode (KM), der Funktions- und Bedienanalyse (FuB) und der Layer-Methode (LM), zusammen. Die FG dient der Fokussierung und Vereinheitlichung der Projekterwartungen und –ziele unterschiedlicher Projektpartner. Resultierend entsteht eine Empfehlung welche der weiteren vier Methoden angewendet werden sollen. In der FZM wird eine Bedienfunktionskategorisierung generiert. Diese beinhaltet eine Empfehlung hinsichtlich des geeigneten Interfaces (real oder virtuell) bei der Umsetzung der betrachteten Funktionen. Die KM ermittelt einen Komplexitätsgrad, welcher eine Gestaltungsempfehlung für die Interfaceentwicklung hinsichtlich deren Komplexität beinhaltet . Die FuB erfasst sämtliche Charakteristiken der Bedienfunktionen, die in dem betrachteten technischen System relevant sind. Mit Hilfe der LM werden Interfacekonzepte generiert, welche hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Bedienfläche, der Anordnung und Ausführung sinnvoll zugeordnet werden. Die Tauglichkeit der entwickelten Methodik wird anhand von sechs verschiedenen Evaluationsprojekten, 16 zu überprüfenden Anforderungen und mit der Hilfe von vier unterschiedlichen Evaluationsarten erfolgreich überprüft.Item Open Access Classification of methodologies for design for circular economy based on a literature study(2023) Stölzle, Merlin Gerald; Roth, Daniel; Kreimeyer, MatthiasItem Open Access Gestaltungsempfehlung nutzergerechter Bedienschnittstellen zur Steuerung virtueller Interfaces durch Blickgesten(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2021) Jenke, Marcus; Maier, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Der Ansatz der ausschließlich blickbasierten Interaktion mit technischen Systemen bietet ein großes Potenzial in vielen Anwendungsbereichen. Durch die kontinuierliche Verbesserung der Eye-Tracking-Technologie wird sich diese Interaktionsmodalität auch auf andere Anwendungsfelder als die ursprünglich angedachten Assistenzsysteme für körperlich behinderte Menschen ausweiten. Zusammen mit den wachsenden Trends ist eine generelle Wandel in Bezug auf die entsprechende Mensch-Technik-Interaktion zu beobachten, bei der sich entweder der Nutzungskontext oder die Nutzergruppe ändert. Im Verbrauchersektor beispielsweise ist die Interaktion mit dem Blick bereits Bestandteil von Spielen und Virtual-Reality-Anwendungen eingesetzt. Ein weiteres Beispiel ist der Trend zum autonomen Fahren, der durch neue Sitzpositionen und Benutzeraktivitäten die Bedingungen im Fahrzeuginnenraum und an der Schnittstelle verändert. Sitzpositionen und Benutzeraktivitäten. Es gibt jedoch noch viele andere Bereiche, die von Blickinteraktionsanwendungen profitieren könnten, wie z. B. die Roboter-gestützte Chirurgie, die industrielle Wartung von Anlagen sowie der öffentliche Sektor.