07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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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 3D microprinting of structures with lanthanide‐based fluorophores on optical fibers for multiplexed sensing(2025) Aslani, Valese; Baghapour, Shaghayegh; Warren‐Smith, Stephen C.; Zhang, Wenqi; Ebadati, Esmat; Plush, Sally E.; Herkommer, Alois; Toulouse, Andrea; Afshar V., ShahraamFemtosecond direct laser writing (fs‐DLW) has revolutionized the fabrication of micro‐optical elements, yet its potential in multiplexed sensing has remained constrained by material limitations and fluorescence crosstalk. Here, a novel platform that integrates lanthanide‐based fluorophores-specifically europium complexes-into commercial fs‐DLW resists (OrmoComp and IP‐Visio) to directly print nano/microstructures on the tips of optical fibers is reported. This strategy exploits the exceptional photostability, narrow emission lines, and long luminescence lifetimes to overcome spectral overlap and photobleaching commonly seen with organic fluorophores. By enabling spectral, temporal, and spatial multiplexing, this approach allows simultaneous detection of distinct biochemical and physical parameters. Five distinct structures are fabricated: two woodpile structures for temperature and redox sensing, a Fabry‐Pérot cavity for refractive index detection, and disc and annular geometries for spatially selective excitation. The results show that combining sub‐micron 3D microfabrication with lanthanide photophysics significantly enhances sensing fidelity, opening new avenues for compact, multi‐analyte fiber‐based diagnostics in biomedical applications.Item Open Access Ganzheitliche Datenerfassung für verbesserte Zuverlässigkeitsanalysen(2012) Leopold, Tobias; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Die Produktzuverlässigkeit stellt eine der wichtigsten Produktmerkmale dar, die weitestgehend während der Produktentstehung determiniert wird. Der darauf basierende Anspruch einer geringen Ausfallwahrscheinlichkeit von Produkten bedarf umfangreicher Zuverlässigkeitsanalysen während der Entwicklung und Herstellung eines Produkts. Der endgültige Nachweis, ob die Anstrengungen zur Erreichung und Sicherstellung der Produktzuverlässigkeit erfolgreich waren, kann abschließend erst während der Nutzungsphase des Produkts erfolgen. Somit muss der gesamte Produktlebenszyklus von Zuverlässigkeitsanalysen begleitet werden. Die Basis für aussagekräftige Zuverlässigkeitsanalysen sind, neben einer korrekten und zweckmäßigen Anwendung von Zuverlässigkeitsmethoden, die dafür notwendigen Zuverlässigkeitsdaten. Nur die Verbindung einer geeigneten Datenbasis mit bedarfsgerechten Analysemethoden erlaubt die Beantwortung wichtiger Fragestellungen der Zuverlässigkeitstechnik. Insbesondere die Zuverlässigkeitsdaten müssen dafür umfangreiche und teilweise sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Neben einer Anforderungsanalyse müssen deshalb die potentiell zur Verfügung stehenden Zuverlässigkeitsdaten untersucht und bewertet werden. Um eine Vergleichbarkeit der Bewertungen verschiedener Datenquellen sicherzustellen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Bewertungsmodell für Zuverlässigkeitsdatenquellen entwickelt und angewandt, das auf wichtigen Anforderungen und Eigenschaften von Zuverlässigkeitsdaten beruht. Da im Allgemeinen nur eine begrenzte Anzahl an Zuverlässigkeitsdatenquellen zur Verfügung steht bzw. realisiert werden kann, muss in Abhängigkeit der Aufgabenstellung eine ideale Kombination von Zuverlässigkeitsdatenquellen für anschließende Zuverlässigkeitsanalysen bereitgestellt werden. Dabei ist neben dem Nutzen der Datenquellen zusätzlich der Aufwand zu berücksichtigen, der für deren Verwendung entsteht. Unter Berücksichtigung der umfangreichen Zusammenhänge wird in dieser Arbeit ein modularer Aufbau einer ganzheitlichen Zuverlässigkeitsdatenerfassung entwickelt. Nur durch die Kombination von verschiedenen Datenquellen, die unterschiedliche Anforderungen von unternehmerischen Aufgabenstellungen erfüllen, kann eine sinnvolle Datenbasis für Zuverlässigkeitsanalysen geschaffen werden. Zusätzlich sind Aspekte der Unternehmensintegration zu berücksichtigen, die sich in einem zentralen Zuverlässigkeitsmanagement sowie der Prozess- und Projektverankerung widerspiegeln.Item Open Access Mechanical properties and electrical discharge machinability of alumina-10 vol% zirconia-28 vol% titanium nitride composites(2020) Gommeringer, Andrea; Kern, FrankElectrical discharge machinable ceramics provide an alternative machining route independent on the material hardness which enables manufacturing of customized ceramic components. In this study a composite material based on an alumina/zirconia matrix and an electrically conductive titanium nitride dispersion was manufactured by hot pressing and characterized with respect to microstructure, mechanical properties and ED-machinability by die sinking. The composites show a combination of high strength of 700 MPa, hardness of 17-18 GPa and moderate fracture resistance of 4.5-5 MPa√m. With 40 kS/m the electrical conductivity is sufficiently high to ensure ED-machinability.Item Open Access High precision optical surface topometry(1993) Tiziani, Hans J.For contactless measurement of the surface topography optical techniques are promissing. A lot of progress was made by the development of laser supported methods. It is due to the development of new different lasers, the introduction of solid state detectors and powerful computers for the information processing. Time of flight, phase measurements, active and passive triangulation and projected fringes are very robust techniques for industrial applications. A lot of progress was made in the application of interferometry to surface and vibration measurements. One or more wavelength together with diode lasers are used. Although interferometry requires polished surfaces, however, by using synthetic wavlengths, it can also be applied for optically rougher surfaces. In addition the unambiguity range will be extended when longer synthetic wavelengths are used. Furthermore scanning and whole field confocal microscopy can be used for macro- and microstructure analysis. New techniques will be described to extend the field of view. Some limits especially with respect to resolution and industrial application will be discussed for the methods presented together with some experimental results and future developments.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 Numerische Untersuchungen zum Dichtmechanismus von Radial-Wellendichtungen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2025) Grün, Jeremias; Bauer, Frank (apl. Prof. Dr.-Ing.)In numerous applications, the tribological system rotary shaft seal is subjected to various dynamic loads on multiple scales. Trends and challenges towards electromobility have further increased the exposure of rotary shaft seals to extreme operating conditions and loads. The associated increasing demand for shorter development times with simultaneously growing requirements and changing conditions make the use of numerical models for the simulation of tribological systems inevitable. Within the scope of this study, a multiscale model has been developed for the transient simulation of the lubrication and sealing mechanism of rotary shaft seals. A multiscale finite element model divided into two subdomains provides the computation of the structural mechanics. The macroscopic subdomain is utilized to compute the large deformations of the sealing ring during mounting, while the second subdomain is used to determine the microscopic distortions of the surface roughness on the sealing edge. An efficient and automated modeling approach allows the direct integration of physical surface measurement data into the numerical model. A transient computational fluid dynamics model enables the simulation of the dynamic flow processes in the sealing gap on the microscale. Lubricant film thickness equations serve as an indirect coupling between structural mechanics and fluid mechanics. The temperature dependence of the lubricant data is taken into account in the fluid mechanics model and in the determination of the sealing gap height. An empirical model is introduced, in conjunction with the computational fluid dynamics model, to account for mixed lubrication effects, considering only the viscous portion of friction. Established test rig experiments, extended experimental approaches, and data from previous work validate and verify the developed and applied methods. The numerical analyses demonstrate reasonable outcomes and a high level of consistency between the numerical simulation results and experimental data across the scales under consideration. Deviations between the simulation and experimental results increase as the scale moves from macroscale to microscale, potentially due to various factors that have a more significant influence on the microscale and extrapolation errors. In conclusion, the multiscale analyses provide unique insights into the complex flow dynamics in the sealing gap of rotary shaft seals. This presents clear evidence of the active dynamic lubrication and sealing mechanism. Additionally, the model presents various possibilities for extension and application to other tribological problems.Item Open Access Item Open Access Application of parallel computing to robot dynamics(1993) Schäfer, Peter; Schiehlen, WernerIn this paper an approach for the application of parallel processing to the dynamic analysis of robots based on the multibody system method is presented. The inherent structure of the symbolic equations of motion is used for partitioning those into independent modules for concurrent evaluation. The applied strategies for parallelization include the parallel evaluation of subsystem equations and the parallel computation of the inertia matrix along with its factorization, and of the force vectors and control inputs. The implementation of the parallel structures is discussed with respect to optimal utilization of transputer resources. The presented approach yields a strong reduction of computing time and supports real-time simulations of controlled robots, which is also shown in an example.Item Open Access Einfluss der Wellenoberfläche auf das Dichtverhalten von Radial-Wellendichtungen(2005) Kunstfeld, Thomas; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Für ein zuverlässig funktionierendes Dichtsystem Radial-Wellendichtung ist die Wellenoberfläche von entscheidender Bedeutung. Als tribologischer Partner des Dichtrings ist die Wellenoberfläche direkt durch die gegebenenfalls vorhandene Eigenförderung und indirekt durch die Beeinflussung der Dichtringförderung für die Gesamtfunktion ausschlaggebend. Dieser Bedeutung wird durch strenge Vorgaben hinsichtlich der Herstellung und Ausprägung der Wellenoberfläche in den gültigen Normen Rechnung getragen. Kostenreduktion und Prozessoptimierung erfordern Alternativen zu dem Jahrzehnte alte Fertigungsverfahren für Wellenoberflächen härten und im Einstich schleifen. Im Rahmen dieser Arbeit sollten einerseits in Frage kommende alternative Wellenoberflächen untersucht werden, und andererseits eine Vorgehensweise entwickelt werden, mit der entsprechende Wellenoberflächen hinsichtlich ihrer Eignung als Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe erprobt und beurteilt werden können. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine vierstufige Vorgehensweise entwickelt. Ausgehend von der berührungslos optisch vermessenen 3D-Oberflächentopografie werden dabei für die vorliegende Wellenoberfläche anhand eines auf der Bildverarbeitung beruhenden Verfahrens charakteristische Kennkurven ermittelt. Anhand dieser Kennkurven kann die Oberflächenstruktur beurteilt, und durch typische Merkmale klassifiziert werden. Im zweiten Schritt wird der Förderwert der Wellenoberflächen in beiden Drehrichtungen gemessen. Gilt die untersuchte Wellenoberfläche weiterhin als geeignet, wird im dritten Schritt ein erster Funktionstest im Dichtsystem durchgeführt. Im vierten und letzten Schritt wird die Funktionalität des Dichtsystems über einen längeren Zeitraum beobachtet, um die Langzeiteigenschaften abzusichern. Dazu wird die vom Autor entwickelte modifizierte Zweikammermethode eingesetzt. Durch die Messung des Systemförderwerts in regelmäßigen Abständen, kann dessen Veränderung und somit die Veränderung der Dichtfunktion im Betrieb vermessen werden. Die eingesetzte Wellenoberfläche, aber auch alle übrigen Systemkomponenten können so hinsichtlich der Auswirkung auf die Dichtfunktion und Langzeiteigenschaften beurteilt werden. Dadurch sind künftig weitreichende Untersuchungen am Dichtsystem mit der Option, in das Dichtsystem „hineinzublicken“, möglich. Der Schwerpunkt der so untersuchten alternativen Fertigungsverfahren lag im Bereich der Drehverfahren. Es wurden Parameterstudien für längsgedrehte Wellenoberflächen unter Verwendung von ungehärteten und gehärteten Werkstoffen durchgeführt. Variiert wurde: Vorschub, Schneidenradius, Einfluss von Maschinen- bzw. Werkzeugschwingungen und Schneidenverschleiß. Zusätzlich wurden Nachbearbeitungsverfahren und Drehverfahren ohne axialen Vorschub, wie das Tangentialdrehen und das Drehen im Einstich untersucht. Grundsätzlich sind die längsgedrehten Wellenoberflächen, hart oder weich, als Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe geeignet. Speziell die längs-hartgedrehten Wellenoberflächen zeigen kein drehrichtungsabhängiges Förderverhalten und geringe Förderwerte. Die längs-weichgedrehten Wellenoberflächen zeigen ein teilweise von der Drehrichtung abhängiges Förderverhalten, welches jedoch keine negativen Auswirkungen auf das Dichtverhalten hatte. Auch die ohne axialen Vorschub hartgedrehten Wellenoberflächen sind geeignet, wobei die sehr „glatten“ Oberflächen zu geringen Förderwerten der Wellenoberfläche und des Dichtrings führen. Die durch Bandfinishen oder Kurzhubhonen hervorgerufenen, sehr feinen und meist schräg zur Wellenachse gerichteten, Riefenstrukturen sind äußerst förderintensiv. Sie können zu großer Leckage oder ungünstigen Schmierungsbedingungen im Dichtsystem führen. Diese Verfahren sind damit keine taugliche Alternative. Die makroskopische Drehwendel hat offensichtlich keinen Einfluss auf die Fördereigenschaft der Wellenoberfläche, eingebrachte Mikrostrukturen jedoch zeigen einen erheblichen Einfluss. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Fördereigenschaften der Wellenoberfläche fast ausschließlich von deren „Mikrostruktur“ bestimmt werden, die größenordnungsmäßig deutlich unterhalb z.B. einer Drehwendel (Steigung ca. 0,05 bis 0,3 mm) liegt. Anhand der hier vorgestellten Vorgehensweise können beliebige Wellenoberflächen dichtungstechnisch geprüft und beurteilt werden. Künftig ist eine direkte Kennwertbildung aus den vorliegenden charakteristischen Kennkurven denkbar. Zur Verbesserung der Aussagemöglichkeiten sind weitere Erfahrungswerte hinsichtlich der Auswirkungen bestimmter Oberflächenstrukturen, Ausprägungen (z.B. Breiten-Längenverhältnis) etc. nötig. Dazu bietet unter anderem die Beobachtung des Systemförderwerts im Betrieb weit reichende Untersuchungsmöglichkeiten.