07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

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    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 Peter
    Modern 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.
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    Automatische Applikation modellbasierter Diesel-Luftsystem-Funktionen in Motorsteuergeräten
    (2020) Xie, Yijiang; Kistner, Arnold (Prof. Dr.-Ing.)
    The continuous development of diesel engines for meeting the legal and functional requirements, e.g. reducing emissions and fuel consumption while taking drivability into account, has led to a significant increase in the number of sensors and actuators required for the engine. For the diesel-air system it means to introduce a turbocharger, a system for exhaust gas recirculation (EGR), an exhaust gas aftertreatment system, a variable valve control, etc. In order to control such an increasingly complex system in diesel engines, ECU-functions are developed by means of a model-based approach. The success of a model-based development methodology is based on a precise and e cient modeling of the relevant engine behavior. Because of the limited computing power of an ECU, a combination of physical models and so-called calibration parameters is usually preferred for engine modeling. The calibration parameters can be scalar or one or two-dimensional empirical models and usual ly have to be determined (calibrated) by experiments on an engine test bench. Typical examples for such calibration parameters are lookup-tables for modeling the cylinder charge (volumetric e ciency) and the e ective area of the EGR valve. In this thesis a procedure is proposed which is able to calibrate the ECU functions for stationary relationships, e.g. in the diesel-air system, automatically and with as little measurement e ort as possible in terms of the number of measurement points. The algorithm runs within the framework of sequential experimental planning, in which Gaussian models with non-stationary covariance functions are used to approximate the relations of interest. For adaptive experimental planning an active sampling strategy is developed based on the concept of mutual information and optimal system inputs (engine speed, fuel quantity, air actuators, etc.) and which determines the resulting operating points, with respect to the input space coverage, the inhomogeneous properties of the relations, the uncertainty of the estimated calibration parameters and the feasibility of the operating points. The method is able to predict the stationary engine behavior, which results from the selected system inputs, by means of the physical structure of the air system and the data-based models of the calibration parameters. On this basis the uncertainties of the application parameters are estimated using extended Kalman filters. The feasibility of the operating point is checked by comparing the predicted system behavior with the engine limits. For validation the developed algorithm was implemented on an engine test bench to calibrate the air system of a diesel engine equipped with high and low pressure EGR, a variable geometry turbocharger and variable valve timing. As a result, using the presented approach, using as little as approx. 130 measurement points is enough to obtain a comparable application quality to that achieved by conventional methods with more than 800 measurement points.
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    Genauigkeitssteigerung bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern durch Fehlerkompensation mit 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik
    (2011) Puzik, Arnold; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
    Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel eine Lösung zu zeigen, welche allgemeingültig den Fehler eines Industrieroboters kompensiert. Diese Lösung soll sowohl die Kompensation des statischen Fehlers als auch des Bahnfehlers von Robotern ermöglichen, so dass eine genaue Bearbeitung bei dynamischen Prozessen, wie dem Fräsen, möglich wird. Hierzu wird ein Bearbeitungskonzept vorgeschlagen, welches darauf beruht, dass der Roboter das Bauteil handhabt und die Werkzeugspindel auf einer schnellen Ausgleichskinematik befestigt ist, und so mit Hilfe eines Messsystems den gemessenen Positionsfehler des Roboters ausgleichen kann. Gegenüber bisherigen Ansätzen, welche den Roboter steifer machen, soll durch den Einsatz einer aktiven und schnellen Ausgleichsaktorik auf Basis von Piezo-Aktoren der Fehler des Roboters in allen drei Raumrichtungen ausgeglichen werden. Hierzu wird während des Bearbeitungsprozesses der Fehler des Roboters kontinuierlich gemessen und der 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik als Führungsgröße übergeben, auf welcher die Bearbeitungsspindel mit dem Werkzeug befestigt ist. Die Entwicklung der schnellen Ausgleichskinematik – der 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik – stand dabei im Vordergrund. In dieser Dissertation wird die methodische und systematische Realisierung dieser Kinematik gezeigt. Die gefertigte Kinematik wird hierzu aufgebaut, in Betrieb genommen und anhand von gemessenen Fräswerkstücken aus Aluminium wird das Konzept erfolgreich validiert.
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    Untersuchungen zu flüssigkeitsbasierten, kapazitiven Neigungswinkelsensoren
    (2022) Schwenck, Adrian; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
    Bei der Neigungswinkelmessung wird die relative Lage von Objekten zum Erdschwerfeld bestimmt. Stand der Technik im Bereich der Konsumgüter, der Industrietechnik, der Messtechnik oder der Fahrzeugtechnik sind vor allem Sensoren auf Basis von Beschleunigungssensoren. Diese werden hauptsächlich als Mikrosysteme (MEMS) ausgeführt und mittels mikrotechnischer Verfahren hergestellt. Die Neigungswinkelmessung, erfolgt dabei anhand einer Messung der Projektion der Erdbeschleunigung auf die sensitive Achse oder Achsen. Der in dieser Arbeit vorgestellte flüssigkeitsbasierte, kapazitive Sensor soll eine Alternative zu den MEMS-Beschleunigungssensoren bieten. Aufgrund seiner einfachen Herstellbarkeit mittels Standard-Surface-Mount-Technology (SMT) kann er durch kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) auf meist vorhandener Anlagentechnik produziert werden. Die MEMS-Fertigung hat den Vorteil der kostengünstigen Massenfertigung im Batch. Dafür sind jedoch technologisch anspruchsvolle Reinraumprozesse notwendig, die nur bei großen und darauf spezialisierten Unternehmen zu finden sind. Die Arbeit stellt zuerst den Stand der Technik der Neigungs- und Beschleunigungsmessung sowie der Molded Interconnect Device (MID) Technologie vor und beschriebt dann das Sensorprinzip der flüssigkeitsbasierten +/-90° und 360° Neigungswinkelmessung. Dieses basiert darauf, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft immer horizontal ausrichtet. Der Sensor verwendet eine dielektrische Flüssigkeit in einer teilweise gefüllten Kavität und bestimmt kapazitiv seine Lage zur Flüssigkeitsoberfläche. Zur Sensorauslegung werden ein analytisches Modell sowie eine Monte-Carlo-Simulation verwendet. Danach werden die Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) zur Herstellung der Sensoren beschrieben. Es kommen dabei zwei Varianten für die Ausformung der Kavität für das Fluid zum Einsatz. Eine Sensorvariante nutzt die die MID-Technik. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Standard-Leiterplatten, welche gestapelt und verlötet werden. Anschließend wurden die grundlegenden Sensoreigenschaften von drei Sensorvarianten charakterisiert. Dazu wurden Kennlinien der Sensoren bei Raumtemperatur aufgenommen und daraus eine Kalibrationsvorschrift für die Winkelberechnung abgeleitet. Da Neigungswinkelsensoren eine Sensitivität auf Neigungen quer zur Messachse haben können, wurden Messungen mit unterschiedlichen Querneigungen durchgeführt. Zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften wurde die Abklingzeit der Sensoren bestimmt. Da der Sensor einen systematischen Einfluss der Temperatur auf die Steigung der Sensorkennlinie zeigt, wurde dieser gemessen und Möglichkeiten zur Kompensation untersucht. Temperaturschocktests zur beschleunigten Alterung schließen die Charakterisierungen der Sensoren ab. Abschließend diskutiert die Arbeit die Monte-Carlo-Simulation, die Temperaturkompensation und die Ergebnisse des Benchmarks. Ein Vergleich einer Monte-Carlo-Simulation mit einem analytisch berechenbaren Fall zeigt die grundsätzliche Eignung der Simulation zur Beschreibung des Sensorverhaltens. Die Ergebnisse der Simulation für verschiedene Temperaturen wurden drüber hinaus mit Messungen von Sensoren und einem rechnerischen Ansatz zur Temperaturkompensation verglichen. Dabei zeigte sich ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Messung. Mithilfe der mathematischen Temperaturkompensation konnte der systematische Temperaturfehler weitgehend korrigiert werden. Bei der Diskussion des Benchmarks werden die wichtigsten technischen Eigenschaften der Sensoren, Allan-Deviation, Temperaturstabilität und Nichtwiederholbarkeit verglichen. Dabei zeigten die flüssigkeitsbasierten Sensoren eine im Zielmarkt wettbewerbsfähige Performance, vor allem für Anwendungen, welche ein geringes Rauschen, eine gute Bias-Stabilität sowie eine geringe Hysterese des Sensorsignales benötigen.
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    Design and characterization of a planar motor drive platform based on piezoelectric hemispherical shell resonators
    (2021) Schiele, Frank; Gundelsweiler, Bernd
    In this study, a planar ultrasonic motor platform is presented that uses three half-side excited piezoelectric hemispherical shell resonators. To understand the working principle and the harmonic vibration behavior of the piezoelectric resonator, the trajectory of the friction contact was measured in free-oscillating mode at varying excitation frequencies and voltages. The driving performance of the platform was characterized with transport loads up to 5 kg that also serve as an influencing downforce for the friction motor. The working range for various transport loads and electrical voltages up to 30 V is presented. Undesirable noise and parasitic oscillations occur above the detected excitation voltage ranges, depending on the downforce. Therefore, minimum and maximum values of the excitation voltage are reported, in which the propulsion force and the speed of the planar motor can be adjusted, and noiseless motion applies. The multidimensional driving capacity of the platform is demonstrated in two orthogonal axes and one rotary axis in open-loop driving mode, by measuring forces and velocities to confirm its suitability as a planar motor concept. The maximum measured propulsion force of the motor was 7 N with a transport load of 5 kg, and its maximum measured velocity was 77 mm/s with a transport load of 3 kg.
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    Entwicklung einer Methode der Displaybeleuchtung zur Unterstützung des menschlichen zirkadianen Systems
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Proß, Achim; Spath, Dieter (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
    LED-Displays mit hohem Blaulichtanteil wirken nachweislich negativ auf den Tag-Nacht-Rhythmus. Diese Dissertation behandelt die kombinierte Fragestellung, wie spektrale Veränderungen der Displaybeleuchtung die nicht-visuelle Lichtwirkung und die Farbwahrnehmung des Menschen beeinflussen. Es wird eine Methode zur Displaybeleuchtung durch Verschiebung der Peak-Wellenlängen entwickelt, prototypisch realisiert und in zwei Probandenstudien evaluiert.
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    Position sensor and control system for micro hydraulic drives in surgical instruments
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Comella, Laura; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
    This work is focused on the research and development of a sensor that permits the control of the movement of a hydraulically driven laparoscopic instrument tip and opens the way towards a new interpretation of surgical instruments. In the new vision the instrument is able to execute automatically preprogrammed tasks, without the constant involvement of the surgeon in the instrument control. After an analysis on the state of the art for laparoscopic instruments and a revision of the relevant literature on sensors for displacement measurement, the coaxial cylindrical capacitive method was identified as the most suitable solution for the application analyzed. This sensor configuration can be integrated directly into the hydraulic cylinder without the need of additional parts. The feasibility of the coaxial cylindrical capacitive sensor is theoretically analyzed, validated with FEA simulation and then characterized experimentally. Relevant is the fact that the tests are run with two different hydraulic cylinders, a mini hydraulic and a micro hydraulic cylinder, to demonstrate the scalability of the sensor and its adaptability to instruments of different size. The experimental results match the simulations and confirm the sensor´s behavior also on experimental level. The sensor is than integrated in a closed loop system to test its suitability for controlling the position of the instrument tip in a scenario as close as possible to the real one. For this reason, a hydraulic drive, which permits the movement of the instrument tip, is designed. The full hydraulic drive system is modeled and this model is used to design a feedback control. The designed controller is initially proven through simulation. Afterwards it is tested with experiments proving the correspondence between simulated and real world behavior of the system.
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    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.
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    A method for the assembly of microelectronic packages using microwave curing
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Adamietz, Raphael; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)
    Advanced electronic packaging continues to gain prevalence, driven by the continuous trend for miniaturization with concurrent functional integration. Processes in use today are typically efficient for mass production, but are not suitable for the purposes of low volume and prototype production. Adhesive bonding circumvents the elaborate tooling typical for mass production and provides a higher degree of flexibility. Disadvantages lie in long curing cycle times and high handling effort. To overcome these problems, a novel method for the assembly of electronic packages is proposed, one that improves the performance and efficiency of the assembly processes and reduces the handling effort between the separate process steps by integration of assembly and curing process equipment into a single machine. An analysis of the field of electronic packaging with particular respect to adhesive curing processes is performed. Then the relevant state-of-the-art is reviewed and the need of a novel method is identified. The conception and realization of a microwave curing system, based on an open-ended waveguide resonator are carried out. Different concepts for the control of the curing process are described. A machine integrating the curing system and the assembly process equipment is designed and prototypically realized. This is followed by extensive evaluation and testing of the novel method. In the course of the evaluation a representative flip-chip assembly is realized. In order to assess the influence on reliability, a series of temperature cycling tests is performed. Additionally, stress-measurement dies are packaged and the influence of the proposed method onto residual stresses is studied. The influence of the proposed method on throughput and assembly efficiency is investigated. The proposed method provides reduction of curing cycle times for three different adhesive materials and therewith an increase of the overall throughput. By reduction of handling effort, the overall process efficiency could be improved. Furthermore, by microwave curing with the proposed method, a higher reliability of the resulting electronic packages can be achieved. The experiments with the stress chips reveal lower residual stresses in the microwave-heated chips compared to convection heating.
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    Review on excess noise measurements of resistors
    (2023) Walter, Daniela; Bülau, André; Zimmermann, André
    Increasing demands for precision electronics require individual components such as resistors to be specified, as they can be the limiting factor within a circuit. To specify quality and long-term stability of resistors, noise measurements are a common method. This review briefly explains the theoretical background, introduces the noise index and provides an insight on how this index can be compared to other existing parameters. It then focuses on the different methods to measure excess noise in resistors. The respective advantages and disadvantages are pointed out in order to simplify the decision of which setup is suitable for a particular application. Each method is analyzed based on the integration of the device under test, components used, shielding considerations and signal processing. Furthermore, our results on the excess noise of resistors and resistor networks are presented using two different setups, one for very low noise measurements down to 20 µHz and one for broadband up to 100 kHz. The obtained data from these measurements are then compared to published data. Finally, first measurements on commercial strain gauges and inkjet-printed strain gauges are presented that show an additional 1/fα component compared to commercial resistors and resistor networks.