07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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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%.Item Open Access Digital factory transformation from a servitization perspective : fields of action for developing internal smart services(2023) Neuhüttler, Jens; Feike, Maximilian; Kutz, Janika; Blümel, Christian; Bienzeisler, BerndIn recent years, a complex set of dynamic developments driven by both the economy and the emergence of digital technologies has put pressure on manufacturing companies to adapt. The concept of servitization, i.e., the shift from a product-centric to a service-centric value creation logic, can help manufacturing companies stabilize their business in such volatile times. Existing academic literature investigates the potential and challenges of servitization and the associated development of data-based services, so-called smart services, with a view to external market performance. However, with the increasing use of digital technologies in manufacturing and the development of internal smart services based on them, we argue that the existing insights on external servitization are also of interest for internal transformation. In this paper, we identify key findings from service literature, apply them to digital factory transformation, and structure them into six fields of action along the dimensions of people, technology, and organization. As a result, recommendations for designing digital factory transformation in manufacturing companies are derived from the perspective of servitization and developing internal smart services.Item Open Access Modellbasierte Regelstrategien für adaptive Tragwerke(2023) Heidingsfeld, Julia L.; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c.)Bauwerke sind von zentraler Relevanz im Leben der Menschen, da diese einen Großteil ihrer Lebenszeit in Gebäuden verbringen. Zu deren Erstellung wendet der Bausektor einen großen Anteil der weltweiten Ressourcen auf und stößt große Mengen an Treibhausgasen aus. Mit Blick auf den prognostizierten Baubedarf dieses Jahrhunderts, um die Bedürfnisse der Menschen nach Wohnraum, Infrastruktur und Gewerbeflächen ressourcenschonend zu stillen, werden dringend neue Ansätze des Bauens gebraucht. Im Bauwesen ist die Notwendigkeit, aber auch das Potential gegeben, nachhaltiger zu agieren. Adaptive Gebäude bieten dafür einen vielversprechenden Lösungsansatz. Im Vergleich zu konventionellen Bauten, beinhalten adaptive Gebäude Sensoren, Aktoren und eine Steuereinheit im Tragwerk. Das Bauwerk ist dadurch in der Lage, sich aktiv an veränderliche Lasten anzupassen und das vorhandene Baumaterial effizient zu nutzen. So kann trotz des verringerten Materialeinsatzes die Gebrauchstauglichkeit und Standsicherheit uneingeschränkt gewährleistet werden. Adaptive Tragwerke stellen neue Herausforderungen an die Branche, die nur mit einem interdisziplinären Ansatz gelöst werden können. Um adaptive Tragwerke in der baupraktischen Realität zu verwirklichen, sind systemdynamische und regelungstechnische Ansätze unabdingbar. Diese Dissertation beschäftigt sich mit den in diesem Kontext auftretenden Fragestellungen und erprobt die Methoden an verschiedenen adaptiven Tragwerken und Komponenten - dem Demonstrator-Hochhaus, ein 37m hohes adaptives Hochhaus, dem Maßstabsmodell, eine 2m hohe maßstäbliche Version dieses Hochhauses und dem Balken mit integrierten Fluidaktoren, eine Tragwerkskomponente mit Adaptionsfähigkeit. Die Grundlage bildet die Modellierung der adaptiven Tragwerke, wobei Modelle mit dem für die Regelungstechnik relevanten Detaillierungsgrad hergeleitet werden. Aufbauend auf gängigen Methoden aus dem Bauingenieurwesen werden die notwendigen Modellgleichungen in geschlossener Form für die Reglersynthese erarbeitet. Darin integriert sind ebenfalls die Systemeingänge und -ausgänge. Insbesondere für druckschlaffe Elemente, die durch ihre Nichtlinearität unter Druck keine Kraft übertragen, werden Modellgleichungen in expliziter Form formuliert. Somit ist eine Abkehr von iterativen Lösungsmethoden möglich, wodurch die Modelle als Analyseund Synthesemodelle in der Regelungstechnik einsetzbar sind. Die Schwingungsanalyse von Tragwerken mit druckschlaffen Elementen gelingt durch die datenbasierte Methode der Hauptkomponentenanalyse, wobei sich starke Ähnlichkeiten zu den Eigenmoden des linearen Modells zeigen. Diese Ergebnisse werden zudem zur Modellordnungsreduktion genutzt. Hinsichtlich der statischen Analyse wird die disziplinübergreifende Verbindung der Methode der Redundanz aus dem Bauingenieurwesen mit der statischen Übertragungsfunktion aus der Systemdynamik herausgestellt. Die Aktorplatzierung ist bei adaptiven Tragwerken eine zentrale Frage in der Auslegung und Planung. Das Ziel hierbei ist die Auswahl von wenigen Aktorpositionen aus einer Vielzahl an möglichen Positionen, um die Systemkomplexität gering zu halten und gleichzeitig alle relevanten Verformungszustände beeinflussen zu können. Es werden Kriterien für die statische und dynamische Aktorplatzierung erarbeitet und diese hinsichtlich verschiedener Aktuierungsprinzipien untersucht. Anschließend steht ein Konzept zum Erhalt einer Aktormenge, die statische und dynamische Ansprüche vereint. Die statische Gramsche Kompensierbarkeitsmatrix wird für örtlich verteilte Systeme formuliert und eine Aktorplatzierung am Beispiel eines Balkens durchgeführt. Zum Betrieb adaptiver Tragwerke sind Regelungskonzepte zur Kompensation statischer Lasten und zur aktiven Dämpfung von Schwingungen notwendig. Die statische Lastkompensation setzt auf ein optimierungsbasiertes Verfahren zur Reduktion der Verformung von Tragwerken mit druckschlaffen Elementen unter Stellgrößenbeschränkungen. Eine Reduktion der mittleren Verformung von 87% wird experimentell am Maßstabsmodell bestätigt. Für die aktive Schwingungsdämpfung wird die Methode der approximativ linearisierenden Eingangstransformation entwickelt. Der nichtlinearen Systemdynamik wird dabei durch eine Eingangstransformation eine lineare Zieldynamik aufgeprägt. Anschließend wird die am linearen Zielmodell entworfene und dadurch effizient zu berechnende Schwingungsdämpfung als modellprädiktive Regelung ausgeführt. Diese Dissertation folgt einer interdisziplinären Perspektive und schafft eine Basis für zukünftige Arbeiten in der Regelungstechnik mit Bezug zu adaptiven Tragwerken.Item Open Access Comprehensive study of failure mechanisms of field-aged automotive lead batteries(2023) Conradt, Rafael; Schröer, Philipp; Dazer, Martin; Wirth, Jonathan; Jöris, Florian; Schulte, Dominik; Birke, Kai PeterModern vehicles have increasing safety requirements and a need for reliable low-voltage power supply in their on-board power supply systems. Understanding the causes and probabilities of failures in a 12 V power supply is crucial. Field analyses of aged and failed 12 V lead batteries can provide valuable insights regarding this topic. In a previous study, non-invasive electrical testing was used to objectively determine the reasons for failure and the lifetime of individual batteries. By identifying all of the potential failure mechanisms, the Latin hypercube sampling method was found to effectively reduce the required sample size. To ensure sufficient confidence in validating diagnostic algorithms and calculating time-dependent failure rates, all identified aging phenomena must be considered. This study presents a probability distribution of the failure mechanisms that occur in the field, as well as provides insights into potential opportunities, but it also challenges diagnostic approaches for current and future vehicles.Item Open Access Ein Modell zur Auslegung und multikriteriellen Bewertung von Energiesystemen zur nachhaltigen Integration der Elektromobilität(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Göhler, Georg; Spath, Dieter (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Die Vernetzung des Strom- und Mobilitätssektors stellt zukünftig vor allem für die Stromnetze eine große Herausforderung dar. Die Forschungslücke im Kontext dieser Arbeit liegt in der Einbindung der Elektromobilität als flexiblen Verbraucher in Energiesysteme bei gleichzeitiger Bewertung von Wirtschaftlichkeit und Ökologie. Um diese Lücke zu schließen, wurde ein flexibles und modulares Simulationsmodell zur Planung von Energiesystemen in der frühen Phase entwickelt, das die Integration von Elektrofahrzeugen in besonderem Maße berücksichtigt. Die Validierung bestätigt, dass die Simulationsergebnisse bei einer 1-minütigen Zeitschrittweite ausreichend genau und für diesen Planungsprozess geeignet sind. Durch das hier entwickelte Modell können in kurzer Zeit viele verschiedene Energiesystemvarianten, Betriebsstrategien und innovative Energiekonzepte berechnet und miteinander verglichen werden. Besonderes Augenmerk wurde auf die Anpassungsfähigkeit und potenzielle Erweiterungen gelegt: Das Modell bietet die Schnittstellen und die Flexibilität für Weiterentwicklungen, um zukünftige Entwicklungen im Technologiebereich zu berücksichtigen.Item Open Access A family of total Lagrangian Petrov-Galerkin Cosserat rod finite element formulations(2023) Eugster, Simon R.; Harsch, JonasThe standard in rod finite element formulations is the Bubnov-Galerkin projection method, where the test functions arise from a consistent variation of the ansatz functions. This approach becomes increasingly complex when highly nonlinear ansatz functions are chosen to approximate the rod's centerline and cross-section orientations. Using a Petrov-Galerkin projection method, we propose a whole family of rod finite element formulations where the nodal generalized virtual displacements and generalized velocities are interpolated instead of using the consistent variations and time derivatives of the ansatz functions. This approach leads to a significant simplification of the expressions in the discrete virtual work functionals. In addition, independent strategies can be chosen for interpolating the nodal centerline points and cross-section orientations. We discuss three objective interpolation strategies and give an in-depth analysis concerning locking and convergence behavior for the whole family of rod finite element formulations.Item Open Access Driving profiles of light commercial vehicles of craftsmen and the potential of battery electric vehicles when charging on company premises(2024) Heilmann, Oliver; Bocho, Britta; Frieß, Alexander; Cortès, Sven; Schrade, Ulrich; Casal Kulzer, André; Schlick, MichaelThis paper examines the extent to which it is possible to replace conventional light commercial vehicles in the heating, ventilation and air conditioning and plumbing trade with battery electric vehicles with an unchanged usage profile. GPS trackers are used to record the position data of 22 craft vehicles with combustion engines from eleven companies over the duration of one working week. Within this paper, various assumptions (battery capacity and average consumption) are made for battery electric vehicles and the charging power on the company premises. The potential of battery electric vehicles is evaluated based on the assumption that they are charged only on company premises. Using the collected data and the assumptions made, theoretical state of charge curves are calculated for the vehicles. The driving profiles of the individual vehicles differ greatly, and the suitability of battery electric vehicles should be considered individually. Battery capacity, vehicle energy consumption and charging power at the company have a substantial influence on the suitability of battery electric vehicles. Furthermore, there are differences between vehicles that can charge on the company premises at night and those that cannot or can only do so on some days.Item Open Access A note on the predictive control of non‐holonomic systems and underactuated vehicles in the presence of drift(2023) Ebel, Henrik; Rosenfelder, Mario; Eberhard, PeterMotion planning and control of non‐holonomic systems is challenging. Only very recently, it has become clear how model predictive controllers for such systems can be generally furnished in the driftless case, where the key is to design a cost function conforming to the geometry arising from the non‐holonomic constraints. However, in some applications, one cannot neglect drift since the time needed to accelerate is non‐negligible, for example, when operating vehicles with high inertia or at high velocities. Therefore, this contribution extends our previous work on the class of driftless non‐holonomic systems to systems with simple kinds of actuator dynamics that allow to represent the boundedness of acceleration in the model. Moreover, we show in a prototypical example of a simple boat‐like vehicle model that a similar procedure can also work for systems that are not non‐holonomic but still under‐actuated. While the contribution is rather technical in nature, to the knowledge of the authors, it is the first time that MPC controllers with theoretical guarantees are proposed for these kinds of models. Moreover, we expect that the resulting controllers are directly of practical value since even the simpler driftless models are employed successfully in various approaches to motion planning.Item Open Access Gestaltungsrichtlinien zur systematischen Verbesserung der Spanguterfassung bei der Fräsbearbeitung von CFK(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Gebhardt, Andreas; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind High-End-Leichtbauwerkstoffe, mit einem hohen Potenzial zur Leistungssteigerung von Maschinen und Produkten sowie zur Energieeinsparung. Ihre Herstellung erfolgt typischerweise unter Einsatz trockener Fräsprozesse, deren Spangut eine besondere Gefährdung darstellt und sicher erfasst werden muss. Der Prozess der Spangutabsaugung stand bisher nicht im Fokus der Wissenschaft, obgleich er eine hohe wirtschaftliche und technische Relevanz aufweist. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher zunächst dem Stand der Technik in der fertigenden Industrie sowie den Anforderungen der CFK-zerspanenden Betriebe. Hieraus wird die Notwendigkeit dieser Arbeit aufgezeigt, die Absaugprozesse effektiver und effizienter zu gestalten und systematisches Grundlagenwissen zur Auslegung von Absaugsystemen zu schaffen. In einer theoretischen Betrachtung des Absaugprozesses werden die relevanten Einflussgrößen identifiziert und anschließend experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird auf grundlegende Fragen zur Spanbildung von CFK eingegangen. Es folgen Untersuchungen zum Spangutauswurf und dessen Optimierung für eine verbesserte Erfassung. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Gestaltungsrichtlinien für Absaugsysteme formuliert, die zur Optimierung dreier wesentlicher Varianten von Absaugsystemen genutzt werden. Diese werden abschließend anhand von zwei Schikanebauteilen bewertet. Diese Validierung zeigt das hohe Potenzial zur Steigerung der Spanguterfassung und zur Senkung des Energiebedarfs.Item Open Access Generation of mechanical characteristics in workpiece subsurface layers through milling(2024) Storchak, Michael; Hlembotska, Larysa; Melnyk, OleksandrThe generation of mechanical characteristics in workpiece subsurface layers as a result of the cutting process has a predominant influence on the performance properties of machined parts. The effect of the end milling process on the mechanical characteristics of the machined subsurface layers was evaluated using nondestructive methods: instrumented nanoindentation and sclerometry (scratching). In this paper, the influence of one of the common processes of materials processing by cutting-the process of end tool milling-on the generation of mechanical characteristics of workpiece machined subsurface layers is studied. The effect of the end milling process on the character of mechanical property formation was evaluated through the coincidence of the cutting process energy characteristics with the mechanical characteristics of the machined subsurface layers. The total cutting power and cutting work in the tertiary cutting zone area were used as energy characteristics of the end milling process. The modes of the end milling process are considered as the main parameters affecting these energy characteristics. The mechanical characteristics of the workpiece machined subsurface layers were the microhardness of the subsurface layers and the total work of indenter penetration, determined by instrumental nanoindentation, and the maximum depth of indenter penetration, determined by sclerometry. Titanium alloy Ti10V2Fe3Al (Ti-1023) was used as the machining material. Based on the evaluation of the coincidence of the cutting process energy characteristics with the specified mechanical characteristics of the machined subsurface layers, the milling mode effect of the studied titanium alloy, in particular the cutter feed and cutting speed, on the generated mechanical characteristics was established.