07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Eigenschaften und Verfahren zur Fertigung von superhydrophoben Oberflächen zur Anwendung in der Medizin und Life Science(2021) Felk, DominiqueIn dieser Studienarbeit werden die Eigenschaften, sowie die geometrische Gestalt von superhydrophoben Oberflächen anhand einer ausführlichen Literaturrecherche aufgezeigt. Wassertropfen nehmen auf superhydrophoben Oberflächen eine nahezu sphärische Gestalt an und rollen leicht von einer geneigten Oberflächen ab. Dabei nehmen die Wassertropfen etwaige Verschmutzungen mit. Diese reinigende Wirkung ist charakteristisch für den Lotus-Effekt, welcher physikalisch auf dem Vorhandensein des Cassie-Baxter Zustands beruht. So weisen superhydrophobe Oberflächen einen Kontaktwinkel θ0 von mindestens 150° auf. Aus dem großen Kontaktwinkel resultiert eine geringe Adhäsion der Oberfläche mit einem Wassertropfen. Dadurch gleitet der Tropfen bereits bei geringen Gleitwinkeln von kleiner als 10° von einer geneigten Ebene ab. Neben einem großen Kontakt- und einem kleinen Gleitwinkel weisen superhydrophobe Oberflächen eine Kontaktwinkelhysterese von kleiner als 5° auf. Außerdem bestehen die Oberflächen aus Materialien mit geringen Oberflächenenergien. Erzielbar ist der Lotus-Effekt durch eine Oberflächenmorphologie, die ein hohes Luftvolumen zwischen der Oberfläche und einem Wassertropfen einschließt. Dies ist möglich durch Strukturen im Größenbereich von einigen hundert Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern. Die Strukturen selbst müssen ein hohes Aspektverhältnis aufweisen, welches durch hierarchisch aufgebaute Strukturen erzielt werden kann. Außerdem werden in dieser Arbeit verschiedene Anwendungen aus dem Bereich der Medizin und der Life Science aufgeführt, die durch superhydrophobe Oberflächen ermöglicht werden. Beispielhafte Anwendungen sind superhydrophobe Textilwickel, welche eine Heilung bei Druckgeschwüren begünstigen sollen, oder eine kontrollierte in-vitro Freisetzung von Medikamenten. Die Literaturrecherche zeigt, dass die Herstellung von superhydrophoben Oberflächen auf Strukturen in Metall, Silizium und Kunststoff beruhen kann. So ist die Erzeugung von Strukturen in Metall und Silizium über konventionelle Fertigungsverfahren wie die Plasmabearbeitung (DRIE, ICP), das Tauchbad und die Laserbearbeitung möglich. Zur Erzeugung der Strukturen in Kunststoff eignet sich das Spritzgießen, das Formgießen und das Heißprägen. Für die stochastische Aufrauung der Kunststoffoberfläche eignet sich die Bearbeitung mit Plasma. Die am Institut für Mikrointegration der Universität Stuttgart (IFM) und Hahn-Schickard Gesellschaft Stuttgart (HS-S) vorhandenen Geräte ermöglichen grundsätzlich eine Herstellung der für superhydrophobe Oberflächen erforderlichen Größenordnungen. Dazu muss unter anderem untersucht werden, welche Anwendungen realisiert werden sollen und welche Medien in Kontakt mit der Oberfläche stehen werden. Darauf hin muss das Verhalten des Mediums mit verschiedenen Oberflächenmorphologien analysiert werden, um die am besten geeignete Struktur zu finden.Item Open Access Fabrication and characterization of press-molded polymer microlens arrays(2019) Ruehl, HolgerItem Open Access Learning an approximate model predictive controller with guarantees(2018) Hertneck, MichaelIn this thesis, a supervised learning framework to approximate a model predictive controller (MPC) with guarantees on stability and constraint satisfaction is proposed. The approximate controller has a reduced computational complexity in comparison to standard MPC which makes it possible to implement the resulting controller for systems with a high sampling rate on a cheap hardware. The framework can be used for a wide class of nonlinear systems. In order to obtain closed-loop guarantees for the approximate MPC, a robust MPC (RMPC) with robustness to bounded input disturbances is used which guarantees stability and constraint satisfaction if the input is approximated with a bound on the approximation error. The RMPC can be sampled offline and hence, any standard supervised learning technique can be used to approximate the MPC from samples. Neural networks (NN) are discussed in this thesis as one suitable approximation method. To guarantee a bound on the approximation error, statistical learning bounds are used. A method based on Hoeffding’s Inequality is proposed to validate that the approximate MPC satisfies these bounds with high confidence. This validation method is suited for any approximation method. The result is a closed-loop statistical guarantee on stability and constraint satisfaction for the approximated MPC. Within this thesis, an algorithm to obtain automatically an approximate controller is proposed. The proposed learning-based MPC framework is illustrated on a nonlinear benchmark problem for which we learn a neural network controller that guarantees stability and constraint satisfaction. The combination of robust control and statistical validation can also be used for other learning based control methods to obtain guarantees on stability and constraint satisfaction.Item Open Access Versuchsstand Flexibler Roboter: Modellierung und Beobachterentwurf(2009) Burkhardt, MarkusDiese Arbeit befasst sich mit der Modellbildung und dem Beobachterentwurf eines zweigelenkigen, ebenen Roboters mit flexiblen Verbindungselementen. Der Roboter wird dabei als ein flexibles Mehrkörpersystem betrachtet, um die Elastizitäten in den Verbindungen zu berücksichtigen. Durch die Variation der Anzahl an Moden und durch eine unterschiedliche Berücksichtigung der auftretenden Reibung werden mehrere verschiedene Modelle erstellt und anschließend miteinander verglichen. Um eine Zustandsrückführung zu ermöglichen, wird ein Beobachter entworfen. Dabei kommt ein Extended Kalman Filter zum Einsatz. Dabei gilt die Zielvorgabe, dass das Extended Kalman Filter echtzeitfähig ist. Die Implementierung am Versuchsstand erfolgt als C Mex S-Function. Nachdem verschiedene Varianten miteinander verglichen wurden und die geeignetste Variante gewählt wurde, wird das Konvergenzverhalten überprüft.Item Open Access Potentiale des Finite-Elemente-Programms Ansys bei der Simulation von flexiblen Mehrkörpersystemen(2008) Fischer, ChristianEs werden die Möglichkeiten zur Simulation von Mehrkörpersystemen in Ansys untersucht und mit Simpack verglichen. Es zeigt sich dass Ansys nur bedingt dafür geeignet ist und vor allem sehr hohe Rechenzeiten erfordert.Item Open Access Implementierung flexibler Mehrkörpersysteme in MATLAB/SIMULINK auf Basis von neweul-m2(2008) Burkhardt, MarkusMechanische Mehrkörpersysteme werden in den verschiedensten Bereichen angewendet, vor allem wenn die Körper große, nichtlineare Bewegungen ausführen. Die Verformungen der Körper werden hierbei häufig vernachlässigt. In vielen Anwendungen, wie etwa für die Regelung mechanischer Systeme, ist es wünschenswert, die Bewegungsgleichungen symbolisch in geschlossener Form zu erhalten. Die meisten kommerziellen Programme stellen die Bewegungsgleichungen jedoch ausschließlich numerisch auf. Die Simulationsumgebung neweul-m2 ermöglicht es bereits die Bewegungsgleichungen starrer Mehrkörpersysteme in Minimalkoordinaten symbolisch aufzustellen, um diese anschließend in Matlab verwenden zu können. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Simulationsumgebung um flexible Mehrkörpersysteme zu erweitern. Dafür ist zu allererst ein theoretischer Einblick in die Grundlagen flexibler Mehrkörpersysteme nötig. Bei der Herleitung der Bewegungsgleichungen wird der sogenannte ’floating frame of reference’-Ansatz verwendet, mit dessen Hilfe sich eine Trennung der Starrkörperbewegung und der elastischen Verformungen realisieren lässt. Aus diesem Grund unterteilt sich die Kinematikberechnung in zwei Abschnitte. Zum einen in die Berechnung des Referenzsystems, das die Starrkörperbewegung ausführt und zum anderen in die der Knotenkoordinatensysteme, die ausschließlich die linear-elastischen Verformungen beschreiben. Die Berechnung der Kinematik erfolgt dabei nicht durch die Differentiation des absoluten Lagevektors beziehungsweise des Winkelgeschwindigkeitsvektors, sondern durch Differentiation der relativen Größen zwischen den Körpern. Die absoluten Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsgrößen ergeben sich dann durch sukzessive Kombination der relativen Größen. Bei der anschließenden Kinematikberechnung müssen bei der Berechnung der Impuls- und Drallsätze explizit sogenannte Trägheitskräfte berücksichtigt werden, da als Bezugspunkt nicht wie gewöhnlich der Schwerpunkt, sondern das Referenzsystem verwendet wird. Bei Schwerpunktsystemen sind diese bereits implizit enthalten. Den Abschluß der Theorie bildet die Aufstellung der Newton- Euler-Gleichungen, die Transformation der Bewegungsgleichungen auf Minimalform und der ¨Ubergang in den Zustandsraum. Die Implementierung folgt der in dem vorangehenden Teil der Arbeit vorstellten Theorie. Die in den Newton-Euler-Gleichungen auftauchenden Volumenintegrale ermöglichen eine Vorabberechnung, deren Ergebnisse in SID-Files abgelegt werden. Um diese Informationen in neweul-m2 nutzen zu können, kommt ein Konverter zur Anwendung. Nach erfolgter Erstellung der Newton-Euler-Gleichungen verläuft die Berechnung auf zwei unterschiedlichen Wegen.Während Systeme mit wenigen Freiheitsgraden wie bisher vollsymbolisch berechnet werden, erfolgt bei Systemen mit einer hohen Anzahl an Freiheitsgraden die Berechnung nur noch teilsymbolisch. So wird die Linksmultiplikation mit der transponierten globalen Jacobi-Matrix numerisch durchgeführt, wodurch die Komplexität der Bewegungsgleichungen deutlich reduziert wird. Weitere Effizienzsteigerungen ergeben sich, wenn auch andere Operationen numerisch durchgeführt werden. Viele dieser Modifikationen zeigen jedoch erst bei Systemen mit vielen Freiheitsgraden ihr volles Potential, wobei sich bei einfachen Systemen sogar eine minimale Verschlechterung einstellen kann. Für die Validierung werden in dieser Arbeit drei verschiedene Beispiele vorgestellt, um dann die Ergebnisse mit denen der Simulationsumgebung Simpack zu vergleichen. Für die Validierung der Kinematik- und Kinetikberechnung erfolgt die Berechnung des neweul-m2-Anschauungsmodells eines starren Doppelpendels mit zwei rotatorischen Freiheitsgraden je Arm zum einem mit der konventionellen Methode und zum anderen mit der neu realisierten Methode. Um die Korrektheit der Berechnung der elastischen Anteile zu zeigen, wird ein Doppelpendel bestehend aus zwei elastischen Armen mit verschiedenen Anfangsbedingungen und unterschiedlicher Anzahl elastischer Koordinaten mit neweulm2 modelliert, um anschließend eine numerische Integration durchführen zu können. Zu Vergleichszwecken wird zusätzlich eine Simulation des Systems mit Simpack durchgeführt. Abschließend wird die Regelung eines Roboterarms, dessen Endeffektor einer Halbkreisbahn folgen muss, vorgestellt. Dabei wurde zur Auslegung des Reglers das starre System und zum Betrieb das elastische System verwendet. Dadurch entsteht eine Abweichung der Ist-Trajektorie von der Soll-Trajektorie. Diese Abweichungen resultieren aus den elastischen Verformungen. Auch hier erfolgt eine Validierung mit Hilfe einer Simpack-Co-Simulation.Item Open Access Bestimmung der cw-Wertes von Holzpartikeln aus spanenden Bearbeitungsverfahren(2001) Froschmeier-Hanss, TilmanZur Ermittlung des cW-Wertes von Partikelkollektiven verschiedener, durch unterschiedliche Verfahren zerspanter Holzwerkstoffe wurde mit der Schwebesichtung ein Sichtverfahren ausgewählt, mit welchem ein möglichst großer Anteil der erzeugten Partikel untersucht werden konnte. Für die Untersuchung der Holzwerkstoffe mit diesem Sichtverfahren wurde ein Versuchsstand entworfen und gebaut.Item Open Access Stability and performance in transient average constrained Economic Model Predictive Control without terminal constraints(2019) Rosenfelder, MarioWe investigate system theoretic properties of transient average constrained economic model predictive control (MPC) without terminal constraints. We show that the optimal open-loop solution passes by the optimal steady-state for consecutive time instants. Using this turnpike property and suitable controllability conditions, we provide closed-loop performance bounds. Furthermore, stability is proved by combining the rotated value function with an input-to-state (ISS) Lyapunov function of an extended state related to the transient average constraints. The results are illustrated with a numerical example.