Universität Stuttgart
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Item Open Access 0D/1D investigations on SI-engines for optimal engine and system efficiency(2023) Negüs, Cihat Feyyaz; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access 12C(alpha,gamma)16O - die Schlüsselreaktion im Heliumbrennen der Sterne(2002) Kunz, Ralf; Kneissl, Ulrich (Prof. Dr. rer. nat.)Die Reaktion 12C(alpha,gamma)16O nimmt eine Schlüsselstellung für die Nukleosynthese und bei der Durchführung von Sternmodellrechnungen ein. Von Astrophysikern, die solche Rechnungen durchführen, wurde wiederholt eine genauere experimentelle Bestimmung der Reaktionsrate angefordert, denn ihre Unsicherheiten wirken sich auf die gesamten Nukleosyntheserechnungen aus. Man sieht in der Reaktion 12C(alpha,gamma)16O die wichtigste zu bestimmende Reaktion der nuklearen Astrophysik neben Ne22(alpha,n)Mg25. Deshalb wurde diese Reaktion im Energiebereich Ecm = 0.95 MeV - 2.79 MeV mit weit empfindlicheren Detektoren als bei vorherigen Experimenten neu untersucht. Um eine für die Extrapolation in den astrophysikalisch relevanten Energiebereich um Ecm = 0.3 MeV notwendige Trennung von E1- und E2-Anteil des Wirkungsquerschnittes zu erreichen, wurden im gesamten Energiebereich Winkelverteilungen gemessen. Dies wurde ermöglicht, indem eine dichtgepackte Anordnung aus 3-4 großen Reinstgermaniumdetektoren mit aktiver Abschirmung aus BGO auf einem Drehtisch um das Target aufgestellt wurde. Hierdurch konnten Winkelverteilungen mit 8 bzw. 9 Datenpunkten aufgenommen werden, was genügend Information für eine zuverlässige Bestimmung des E1- und E2-Anteils beim alpha-Einfang liefert. Die Extrapolation in den astrophysikalischen Energiebereich wurde mit der R-Matrix-Methode für E1- und E2-Anteil getrennt durchgeführt. Für den E1-Anteil wurde ein 3-Level-R-Matrix-Fit an die Daten aus dieser Arbeit, an Daten aus Experimenten zur elastischen Streuung und dem beta-verzögerten \alpha-Zerfall von 16N durchgeführt. Dabei wurden alle möglichen Kombinationen für die Interferenzen der Zustände im (alpha,gamma)-Kanal separat behandelt und für den Extrapolationswert der beste Fit ausgewählt. Der E2-Anteil wurde erstmalig durch einen 5-Level-R-Matrix-Fit an die Daten aus dieser Arbeit und an Daten aus Experimenten zur elastischen Streuung beschrieben. Auch hier wurden die Interferenzen getrennt behandelt und der Extrapolationswert aus dem besten Fit extrahiert. Für die S-Faktoren ergeben sich die Werte SE1(0.3 MeV) = 76 +- 20 keV b und SE2(0.3 MeV) = 85 +- 30 keV b. Für die Kaskadenübergänge, also den gamma-Einfang in angeregte Zustände des 16O-Kerns, konnten die Anregungskurven nur aus den zugehörigen Folgeübergängen bestimmt werden. Als Extrapolationswert für den astrophysikalisch relevanten Energiebereich ergibt sich Scasc(0.3 MeV) < 8 keV b als Grenzwert. Aus den R-Matrix-Fits wurde durch numerische Integration die astrophysikalische Reaktionsrate im Temperaturbereich 0.001 <= T9 <= 10 gewonnen. Zusätzlich zu den R-Matrix-Fits für den E1- und E2-Anteil wurden sämtliche bekannten gamma-Übergänge durch Breit-Wigner-Kurven mit energieabhängigen Breiten berücksichtigt. Auch diese Kurven wurden numerisch integriert. Die astrophysikalische Reaktionsrate von 12C(alpha,gamma)16O wird tabellarisch und außerdem mit zwei unterschiedlichen analytischen Formeln wiedergegeben, wie sie heutzutage in den theoretischen Modellen gebräuchlich sind. Sie gelten im Temperaturbereich 0.001 <= T9 <= 10 bzw. 0.02 <= T9 <= 10 und haben eine Genauigkeit von 8% bzw. 12%.Item Open Access 2-dimensionaler Ladungsträgertransport in Graphen und einkristallinen organischen Halbleitern(2008) Ulbricht, Gerhard; von Klitzing, Klaus (Prof. Dr.)Ziel dieser Arbeit war die Präparation und Untersuchung neuartiger 2-dimensionaler Systeme. Zu diesem Zweck wurden sowohl auf Einkristallen der organischen Halbleiter Tetracen und Perylen als auch auf Graphen-Mono- und Doppellagen Feldeffekttransistoren präpariert und untersucht. Wird die Oxidation der Tetracen-Kristalle erfolgreich verhindert, so kann bei Raumtemperatur in Lochleitung ein deutlicher Feldeffekt gemessen werden, Elektronenleitung jedoch konnten wir bei keiner Temperatur beobachten. SCLC-Messungen haben eine Trapkonzentration von minimal 5*10E14 pro cm³ gezeigt. Bei Raumtemperatur wiesen unsere Tetracen-FETs Lochbeweglichkeiten von bis zu 0,6 cm²/Vs auf, welche beim Abkühlen jedoch kontinuierlich schlechter wurden, Lochtransport konnte bis hinunter zu 21 K beobachtet werden. SCLC-Messungen an Perylen-Kristallen haben eine Reinheit von minimal 1,8*10E12 Traps pro cm³ für Elektronen und 2*10E13 Traps pro cm3 für Löcher ergeben. Dennoch konnte bei allen untersuchten Temperaturen nur Lochleitung beobachtet werden, was vermutlich auf mangelnde Elektroneninjektion zurückzuführen ist. Bei Raumtemperatur waren Lochbeweglichkeiten von bis zu 3*10E-3 cm²/Vs messbar. Auch in Perylen-FETs nahm der Strom beim Abkühlen stetig ab, so dass unter 120 K keine Transportmessungen mehr möglich waren. Sowohl die präparierten Graphen-Mono- als auch Doppellagen zeigten deutlich den QHE und SdH-Oszillationen. In Graphen-Monolagen ist die Energie der Ladungsträger proportional zu ihrem Impuls, was im QHE zu Plateaus bei den Füllfaktoren 2, 6, 10, ... führt, wodurch Graphen-Monolagen zweifelsfrei nachgewiesen werden können. Die Ladungsträgerbeweglichkeit erreichte in unseren Proben bis zu 6000 cm²/Vs, wobei kein nennenswerter Unterschied zwischen Elektronen & Löchern festgestellt werden konnte. Mit Hilfe eines Raster-SET-Mikroskops konnten wir in Zusammenarbeit mit der Gruppe von A. Yacoby zeigen, dass der Dirac-Punkt an unterschiedlichen Stellen der Monolage bei unterschiedlichen Gate-Spannungen erreicht wird, am Punkt des maximalen elektrischen Widerstands bilden sich demnach unregelmäßig geformte Bereiche mit Elektronen- bzw. Lochüberschuss.Item Open Access 2-Teilchen Systeme in der Relativistischen Schrödingertheorie(2001) Rupp, Stefan; Weidlich, Wolfgang (Prof. Dr. Dr. h.c.)In der vorliegenden Arbeit geht es um die Relativistische Schrödingertheorie (RST), welche eine neue Methode zur Behandlung relativistischer Mehrteilchensysteme darstellt. Die RST und die ihr zugrunde liegenden Konzepte, d.h. Eichtheorien und Faserbündel, werden kurz vorgestellt sowie der RST-Formalismus auf den 2-Teilchen Fall mit elektromagnetischer Wechselwirkung spezialisiert. Es wird bewiesen, daß die in der RST auftretenden Mischungs- und Austauscheffekte, welche die zwei Teilchen zusätzlich zur Eichwechselwirkung aneinander koppeln, keine physikalischen Auswirkungen haben, sofern sie nicht gemeinsam auftreten. Der Mischungseffekt läßt sich auf eine Gruppenstruktur, die sogenannte Mischungsgruppe, zurückführen. Zur Behandlung des Austauscheffektes werden neue Feldgrößen eingeführt, welche die RST-Dynamik stark vereinfachen und die Konstruktion einer Lagrange-Dichte für das 2-Teilchen-RST-Feldgleichungssystem ermöglichen. Die physikalischen Auswirkungen des gemeinsamen Auftretens von Mischungs- und Austauscheffekten werden durch die Berechnung der Bindungszustände des He-Atoms in erster Ordnung Störungstheorie und den Vergleich sowohl mit den experimentellen Werten als auch mit den Resultaten der konventionellen Quantentheorie verdeutlicht.Item Open Access 2D calculations for atoms and ions in strong magnetic fields of white dwarfs and neutron stars(2014) Schimeczek, Christoph; Wunner, Günter (Prof. Dr.)The following work is devoted to the description of atoms and ions in strong magnetic fields as they can occur in the vicinity of magnetic white dwarfs and neutron stars. The ultimate goal of this work is the contribution to an understanding of unique absorption features detected in the spectra of such stars. One natural explanation for these features are atomic absorptions in the stars' strongly magnetized atmospheres. Models for the atmospheres of magnetic white dwarfs and corresponding spectra have already been applied with great success to observed data, and absorption features of the light elements hydrogen and helium were identified. A comparable success in the modeling of neutron star atmospheres has still to be accomplished. This is related to the extreme conditions in neutron star atmospheres, namely very high temperatures, magnetic fields, and particle densities. Also, the progenitors of neutron stars produce heavy elements up to iron, which are likely to contribute to the composition of the neutron star atmosphere. The poor knowledge of atomic data of heavier elements in strong magnetic fields hampers the further understanding of neutron star emission spectra. In this work we present reliable and fast programs that are capable of creating a large database for atomic states and transitions in a wide range of the magnetic field strength. Based upon previous work we implemented a two-dimensional Hartree-Fock-Roothaan method that overcomes former restrictions, namely the adiabatic approximation and the Landau orbital product ansatz. This software suite allows for a precise description of atomic wave functions and energy values in an extended range of magnetic field strengths. Additionally, the programs are capable of calculating atomic transition energies and strengths. During the development of these programs we focused on automated data production and processing, and payed special attention to program reliability and execution speed. The results for the hydrogen atom presented in this work have already proven useful in the context of an astrophysical application, and improve current atmosphere model calculations of magnetic white dwarfs. Further, our results enhance the understanding of atomic energy spectra at neutron star magnetic fields. The wave functions and energy values calculated in this thesis serve as a starting point for other methods, e.g. the fixed-phase diffusion quantum Monte Carlo method, as well as for photoionization calculations of atoms in strong magnetic fields.Item Open Access 2D numerische Modellierung von multifraktionalem Schwebstoff- und Schadstofftransport in Flüssen(2008) Karnahl, Joachim Alexander; Westrich, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Modellierung der Transport- und sorptiven Reaktionsprozessen von Schwebstoffen und Schadstoffen in Fließgewässern. Das Transportverhalten wird durch zahlreiche interagierende Prozesse - beispielsweise Sedimentation, Erosion, Dispersion, Sorptionskinetik- beeinflußt und erfordert für den Modellaufbau die Bestimmung der transportrelevanten Prozesse sowie die daraus resultierende Aufstellung der notwendigen physikalisch und parametrisch basierten mathematischen Modellansätze. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Modellkonzeption zur Beschreibung der multifraktionalen Schwebstoff- und Schadstofftransportprozesse sowie die Umsetzung in das tiefenintegrierte zweidimensionale Transportmodell SUBIEF umfaßt dabei für mehrere Schwebstofffraktionen die folgenden maßgeblichen Prozesse: Transport, Sedimentation auf Basis eines Schwellenwertansatzes, Erosion und Disaggregation in die einzelnen Schwebstofffraktionen. Für die Sedimentationsprozesse wurde dabei der für ein Korngrößengemisch vorhandene Energieansatz zur Beschreibung der kritischen Sedimentationsschubspannung auf die multifraktionale Sedimentation übertragen und implementiert. Das Schadstofftransportmodell beschreibt den gelösten und fraktionsbezogenen partikulären Schadstofftransport, Adsorptions- und Desorptionsprozesse mit einer Reaktionskinetik erster Ordnung im Wasser- und Sedimentkörper, die Sedimentation und Erosion partikulärer Substanzen sowie diffusive Prozesse an der Wasser-Sedimentgrenzschicht. Die Ergebnisse der an einem idealisierten Gewässer durchgeführten Modellrechnungen bestätigen die Modellkonzeption zur Beschreibung der multifraktionalen Sedimentations- und Erosionsprozesse sowie der Reaktionsprozesse. Als Fallstudie wurden experimentelle Untersuchungen und numerische Studien mit dem entwickelten Modell für die Sedimentverspülung an der Staustufe Iffezheim/Rhein bearbeitet: Um einen ausreichenden Fließquerschnitt im Hochwasserfall zu gewährleisten, wurden im Frühjahr 2005 ca. 150.000 m³ mit Hexachlorbenzol (HCB) belastete Sedimente oberhalb der Staustufe Iffezheim mit einem Saugbagger entnommen und ins Unterwasser verspült. Die Umweltauswirkungen der Sedimentverspülung wurden durch ein umfangreiches Meßprogramm der Bundesanstalt für Gewässerkunde in Zusammenarbeit mit dem Wasser- und Schifffahrtsamt Freiburg begleitet und durch Messungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, ergänzt: Strömungsgeschwindigkeits- bzw. Abflußmessungen, Entnahme von Wasserproben zur Bestimmung der Schwebstoffkonzentration und der Korngrößenverteilung sowie Ausbringen und Auswerten von Sedimentfallen. Die Bestimmung der Korngrößenverteilung wurde dabei mit unterschiedlichen Meßmethoden durchgeführt. Dabei ergaben sich teilweise stark voneinander abweichende Ergebnisse, die als Unsicherheitsfaktor für die Modellierung anzusehen. Die numerischen Untersuchungen wurden für den 22 km langen Flußabschnitt unterhalb der Staustufe Iffezheim durchgeführt. Es wurden drei Sedimentfraktionen < 200 µm sowie das gelöste und auf allen Fraktionen adsorbierte HCB berücksichtigt. Als Modelleingangsdaten dienten dabei die bei der Meßkampagne erhobenen Daten. Aufgrund des hochgradig diskontinuierlichen Verspülungsmassenstroms und der geringen Meßdatendichte war eine Kalibrierung des Modells im strengen Sinne nicht möglich. Daher wurden mehrere Sensitivitätsrechnungen mit Variation der Modellparameter durchgeführt. Obwohl die komplexen 3D Strömungsphänomene von überströmten Buhnen in einem 2D Modell nur näherungsweise abgebildet werden können, zeigten die Modellergebnisse ein gutes Verhalten hinsichtlich der Sedimentations- und Erosionsprozesse in Buhnenfeldern. Die Sensitivitätsrechnungen ergaben für die verschiedenen Fraktionen eine direkte Proportionalität zwischen der Sedimentation und der mittleren Sinkgeschwindigkeit. Aufgrund der unterschiedlichen Ablagerungszonen der einzelnen Fraktionen ergaben sich hieraus unterschiedliche Resuspensionspotentiale der einzelnen Fraktionen. Zum besseren Verständnis der Ablagerungs- und Transportprozesse wurden idealisierte quasistationäre Transportberechnungen mit Variation der Abfluß- und Verspülungsrandbedingungen durchgeführt. Im Modellgebiet stellt sich bei den quasistationären Transportverhältnissen eine Konzentrationsabnahme in Fließrichtung ein. Ein Transportgleichgewicht im Flußschlauch kann sich im Modellgebiet nicht einstellen, da durch die Buhnenfelder und Stillwasserzonen permanente Sedimentsenken vorhanden sind, die durch den dispersiven Eintrag einen permanenten Schwebstoffzustrom erhalten. Bei diesen quasistationären Rechnungen zeigen sich analog zur diskontinuierlichen Verspülung zunehmende Ablagerungsraten mit zunehmendem Partikeldurchmesser. Bei steigenden Abflüssen zeigt sich eine Reduktion der Ablagerungen für alle Fraktionen, die auf Verdünnungseffekte und die erhöhten Fließgeschwindigkeiten zurückzuführen sind.Item Open Access 2H NMR-Untersuchungen zur Aufklärung struktureller und dynamischer Eigenschaften von n-Alkanen in Harnstoff-Clathraten(1999) Schmider, Judith; Müller, Klaus (Prof. Dr.)Mittels dynamischer 2H NMR-Spektroskopie wurde das Verhalten von n-Alkanen in Harnstoff-Einschlußverbindungen untersucht. Dazu wurden Alkanketten verschiedener Kettenlängemin das Harnstoff-Wirtgitter eingelagert und in einem Temperaturbereich von 100 K bis 320 K untersucht. Als Methoden kamen die Linienprofilanalyse, Spin-Gitter- und Spin-Spin-Relaxationsmessungen zur Anwendung. Darüber konnten Aussagen über strukturelle und dynamische Eigenschaften der n-Alkane getroffen werden. Die Linienprofilanalyse lieferte Hinweise auf einen Phasenübergang des Clathratsystems bei tieferen Temperaturen, welcher mit einer drastischen Änderung der Bewegungsmöglichkeiten der n-Alkane im Wirtgitter verbunden ist. Die Phasenübergangstemperaturen waren dabei abhängig von der Kettenlänge des Alkans. Es konnte gezeigt werden, daß bei allen n-Alkanen dieselben Bewegungsprozesse in der Tief- bzw. Hochtemperaturphase auftreten und daß es sich dabei um Konformations- und Reorientierungsbewegungen handelt. Zur Quantifizierung der postulierten Bewegungsmodelle wurden temperaturabhängige T1-Messungen durchgeführt. Dabei wurde vor allem die Anisotropie der T1-Relaxationszeit zur Bestimmung der kinetischen Parameter der einzelnen Bewegungsprozesse herangezogen. Die sterische Behinderung der Alkane durch das Harnstoff-Wirtgitter kommt in der Kettenmitte stärker zum Tragen als am Kettenende. So konnte bei allen untersuchten Systemen eine Flexibilitätszunahme der Alkankette am Kettenende aufgezeigt werden, was sich durch eine Überlagerung mehrerer Bewegungen bemerkbar macht. T2-Relaxationsmessungen erbrachten zusätzlich Hinweise über das Konformationsverhalten innerhalb der Alkanketten. Die gauche-Anteile am Kettenende lagen dabei abhängig von der Kettenlänge zwischen 10 und 40 Entgegen bisherigen Vorstellungen konnte durch die Analyse der T2-Anisotropie gezeigt werden, daß auch in der Kettenmitte endliche, wenn auch geringe gauche-Anteile (< 5) vorhanden sein müssen.Item Open Access 3-D-Umgebungserfassung für teil-autonome mobile Roboter(2014) Arbeiter, Georg; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Die Servicerobotik hat in den letzten Jahren sowohl durch kostengünstige Sensorik und Aktorik als auch durch verbesserte Algorithmen einen großen Schritt nach vorne gemacht. Dabei hat sich gerade die Wahrnehmung als eine Schlüsseltechnologie für eine erfolgreiche Weiterentwicklung herauskristallisiert. Leistungsfähige 3-D-Kameras und effiziente Verfahren zur Sensordatenverarbeitung ermöglichen es Robotern, ihre Umwelt wahrzunehmen, zu interpretieren und darauf basierend Handlungen abzuleiten. Trotz dieser Fortschritte ist ein voll-autonomer Betrieb von mobilen Robotern in für Menschen gemachten Umgebungen mittelfristig nicht möglich. Ein Hauptgrund dafür ist die Vielzahl nicht vorhersehbarer Ausnahmefälle, mit denen ein Roboter in einem nur teilweise bekannten und dynamischen Umfeld konfrontiert wird. Diese Arbeit behandelt die Erfassung der Umwelt mit 3-D-Kameras im teil-autonomen Betrieb. Ziel ist es, ein Umgebungsmodell zu erzeugen, das sowohl für die autonomen Funktionen des Roboters wie Navigation oder Manipulation verwendet werden kann als auch eine Hilfe für einen menschlichen Teleoperator bietet. Dadurch stellen sich besondere Anforderungen an die verwendete Repräsentation. Diese muss sowohl vom Roboter als auch vom Bediener verstanden werden. Weiterhin ist die Umwandlung der Sensordaten in die Repräsentation durch ein geeignetes Verfahren ein Kernpunkt dieser Arbeit. Dieses Verfahren muss nicht nur ein Modell der Umwelt mit ausreichender Genauigkeit erzeugen, sondern auch eine entsprechende Verarbeitungsgeschwindigkeit für den Einsatz auf einem Roboter ermöglichen. Nach der Aufstellung von Anforderungen wird ein Verfahren zur \umerf konzipiert und umgesetzt. Dieses erzeugt ein hybrides Umgebungsmodell, bestehend aus einer Punkte- und einer Geometriekarte. Die Punktrepräsentation kann vom Roboter für die Hindernisvermeidung während Navigation und Manipulation verwendet werden, besitzt jedoch ein großes Datenvolumen und lässt sich schwer visualisieren. Deswegen werden aus den Sensordaten geometrische Primitive abgeleitet und in einer Geometriekarte gespeichert. Dies führt zu einer hohen Datenkompression ohne den Verlust wichtiger Information. Diese Repräsentation lässt sich gut zu einem menschlichen Bediener übertragen und dort anzeigen. Die Ableitung geometrischer Basisformen wie Ebenen oder Zylinder nimmt einen Großteil dieser Arbeit ein. Zunächst werden Filter für die von den 3-D-Kameras ausgegebenen Punktwolken betrachtet. Diese können Rauschen eliminieren oder die Dichte der Punktwolke beeinflussen. Im nächsten Schritt werden die Sensordaten in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert. Dies ist notwendig, da sowohl die Sensordaten als auch die Roboterposition mit Fehlern behaftet sind. Die registrierten Punktwolken werden im nächsten Schritt segmentiert. Hierbei kommt ein Verfahren zum Flächenwachstum auf Basis von Normalenvektoren zum Einsatz. Die entstehenden Segmente können anhand geometrischer Eigenschaften in Basisgeometrien klassifiziert werden. Diese werden abschließend in einer Geometriekarte vereint. Für alle Teilschritte erfolgt eine Evaluierung gegenüber Verfahren aus dem Stand der Technik hinsichtlich Genauigkeit und Rechengeschwindigkeit. Abschließend erfolgt die Validierung der Funktionsweise anhand typischer Innenraumszenen und die Veranschaulichung durch ein Anwendungsbeispiel.Item Open Access 3D CFD Simulation von Turboladern innerhalb einer Motorumgebung(2014) Boose, Benjamin; Bargende, Michael (Prof. Dr.)Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird das Verhalten mehrflutiger Abgasturbolader innerhalb einer Motorumgebung mit pulsierenden Randbedingungen in verschiedenen Motorbetriebspunkten mittels eines CFD Ansatzes untersucht. Dazu wird ein vollständiges dreidimensionales Strömungsmodell eines asymmetrischen Zwillingsstromturboladers aufgebaut, beginnend bei den Abgaskrümmern über die Turbinen- und Verdichtergehäuse inklusive der kompletten Laufräder bis hin zum Vorkatalysator. Die Eintrittsrandbedingungen für die Abgaskrümmer bestehend aus zeitabhängigem Massenfluss und Temperatur für zwei Motorbetriebspunkte bei hoher und niedriger Drehzahl werden von einem eindimensionalen Strömungsmodell des gesamten Motors generiert. Die Turbinen- und Verdichterseite des Modells sind durch ein Momentengleichgewicht gekoppelt und die aktuelle Turboladerdrehzahl wird für jeden Zeitschritt berechnet. Aus diesem Grund werden für die Analyse des Turboladers weder Turbinen- noch Verdichterkennfelder benötigt. Um die Rotation der Laufräder zu modellieren, wird ein Ansatz mit explizit bewegten Gittern verwendet und die Laufradgitter werden vor jedem Zeitschritt mittels eines Gitterinterfaces an die stationären Gehäuse gekoppelt. Als Ergebnisse des Modells werden verschiedene zeitaufgelöste physikalische Größen sowie Wellenleistung und Laderdrehzahl ausgewiesen. Auf Grund der pulsierenden Druckrandbedingung ist es ebenfalls möglich, die instationären Effekte wie Befüllen und Entleeren der Turbine zu untersuchen. Darüberhinaus ist das Modell dieser Forschungsarbeit in der Lage sowohl den instationären Wirkungsgrad unter Druckpulsationen als auch die Überströmverluste, welche durch die unterschiedlichen Druckniveaus der Fluten bei pulsierender Beaufschlagung entstehen, zu analysieren. Um diese Verluste zu quantifizieren, werden neue Kennzahlen eingeführt. Auf Basis der asymmetrischen Zwillingsstromturbine wird eine Doppelstromturbine und eine symmetrische Zwillingsstromturbine mit dem selben Volumen konstruiert. Es werden identische Randbedingungen und die gleichen Laufräder für die Analyse der beiden neuen Varianten verwendet. Diese Turbinenlayouts werden mit dem Ausgangsmodell bezüglich Laderdrehzahl, Wellenleistung und instationärem Wirkungsgrad verglichen. Mit Hilfe neu eingeführter Kennzahlen ist ein Vergleich der Überströmverluste innerhalb der Turbine und des daraus folgenden Rückströmens in den Abgaskrümmer möglich. Das Rückströmen führt zu einem erhöhten Abgasgegendruck und beeinflusst den Ladungswechsel des Zylinders.Item Open Access A 3D continuum-mechanical model for forward-dynamics simulations of the upper limb(Stuttgart : Institut für Mechanik (Bauwesen), Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik, Research Group on Continuum Biomechanics and Mechanobiology, Universität Stuttgart, 2015) Sprenger, Michael; Röhrle, Oliver (Prof. PhD)In this thesis, a suitable theoretical modelling procedure is presented, providing numerical simulations of the material behaviour of muscle-tendon complexes that are included into an articulation. In order to do that, it is necessary to introduce the anatomical and physiological fundamentals of the musculoskeletal system and in particular the upper limb. Caused by the complex microscopic property of the participating muscles, appropriate constitutive equations for the muscle, tendon, and other soft tissues are presented and embedded into the Theory of Finite Elasticity which provides a suitable framework in describing the finite deformation regime. The resulting set of coupled partial differential equations is spatially discretised using the finite element method, which has proven to provide a powerful numerical technique for finding approximate solutions to such BVP. A contact formulation is modularly included to the finite element method to consider contact between the elastic muscle-tendon complexes and rigid bones. The solution of the subject specific BVP is achieved within CMISS. The resulting system of equations was solved in a monolithic manner. While the material mechanical contribution is linearised numerically, the contact mechanical contribution is linearised analytically. The geometry of the Upper Limb Model is established from the virtual human data set. By introducing the Upper Limb Model with its static equivalent system, a continuum-mechanically based framework could be established. This enables stand-alone investigations as well as a coupling to other frameworks. Three different concepts to facilitate the muscle activation are presented in order to use the Upper Limb Model and the equivalent static system. In a first step, muscle activation is prescribed to demonstrate the feasibility of the system and investigated its convergence behaviour as a stand-alone framework. In a second step, the Upper Limb Model is linked to the forward-inverse model established by Prof. David Lloyd’s Musculoskeletal Research Group. Therefore, experimental data is acquired and processed. The results of the forward-inverse model are compared to those of the Upper Limb Model. The third step was conceptually introduced but not implemented. Yet, this concept of coupling FE simulations to MBS is very promising. Besides the well known tendon-displacement method, a second method to determine the lever arm is established by employing properties of the muscle force such as its point of action and orientation. The in silico experiments produced muscle reaction forces, muscle fibre stretch distributions, lever arms, and equilibrium positions. In addition, the impact of contact on a musculoskeletal system is investigated. These results are elaborately visualised and discussed to provide a better mechanical understanding of the examined musculoskeletal system.Item Open Access 3D digital analysis of mammographic composition(2009) Lampasona, Constanza; Roller, Dieter (Prof. Dr.)Breast cancer represents the most frequent cancer within women. Besides clinical examination and self-examination, breast imaging plays a very important role in detecting breast cancer before tumors turn clinically visible. The mammography, a radiograph of the breast, is the most widespread test for the early detection of breast cancer. The images obtained through mammography are known as mammograms and they visualize the breast structure. The woman breast consists of fibroglandular and fatty tissue. Increased mammographic breast density, an increase of fibroglandular tissue, is a factor that influences the risk of becoming affected with breast cancer. Computer-based image analysis could help to find such abnormal changes in the breast tissues from digital mammograms. Full-field digital mammograms are acquired using an electronic detector and they are stored using the DICOM standard file format. In this thesis we first describe the image acquisition process, the DICOM file format as well as the conventional and digital mammography, together with its advantages for computer-based image processing. Former image processing methods and their application into mammograms were also studied. These methods include the measurement of area and volumetric mammographic breast density, the segmentation and the registration of mammograms and methods that could be applied to visualize the breast density. Based on the knowledge on the acquisition process, the DICOM file format and the former methods, computer-based image analysis methods were developed during this research project. All the methods were implemented in a software prototype to test them. The software architecture of the prototype is also shown in this thesis. The main contribution of this work is a new method for the measurement of volumetric breast density. This measurement of volumetric breast density consists in the interpretation of pixels gray levels from full-field digital mammograms to determine which combinations of tissues they represent. In order to be able to compare many images, after performing the measurements, the images are standardized and registered. From the breast composition and its changes, a conclusion could be reached in relation to a suspected cancer or an elevated breast cancer risk. Additionally, some image processing methods were developed to prepare the images for the analysis. These methods segment the mammogram into background, pectoral muscle and breast tissue. The information obtained from the analysis of the mammograms could also be used for the detection of microcalcifications and the skin line or breast border. The mammograms are then graphically shown using different two and three-dimensional views. The last chapters show the results of the computer-based image analysis of the full-filed digital mammograms using the software prototype, conclusions and future work.Item Open Access 3D failure analysis of UD fibre reinforced composites : Puck’s theory within FEA(2010) Deuschle, H. Matthias; Kröplin, Bernd-Helmut (Prof. Dr.-Ing. habil.)Unidirectionally fibre reinforced composites (UD FRCs) are an aspiring material where high strength, adjustable stiffness, extraordinary durability and low weight is required. Their layer-wise processing into laminates enables the realisation of complex geometries with locally strongly differing properties. The design concept of integral construction makes use of this feature and combines different tasks in just one component. The increasing proportion of integral components brings significant savings in terms of structural weight and maintenance cost of the overall system. This development is currently opposed by an enormous experimental effort which comes along with the application of FRCs. The dimensioning of FRC laminates in terms of stiffness and strength has only hesitantly been included into efficient, computer-aided design processes. For the threedimensional prediction of failure and post-failure behaviour there is currently no failure theory available, which would have been implemented into a powerful design tool like Finite Element Analysis (FEA) up to application maturity.Item Open Access 3D printed micro-optics: materials, methods and applications(2022) Weber, Ksenia; Giessen, Harald (Prof. Dr.)Item Open Access 3D printing of sub-micrometer accurate ultra-compact free-form optics(2016) Gissibl, Timo; Giessen, Harald (Prof. Dr.)Additive manufacturing enables novel and unprecedented engineering and production possibilities, which are predicted to have an enormous impact in the 21st century. The technology allows for the straightforward three-dimensional printing of volumetric objects as designed. In this thesis, we present a novel concept in optics, which overcomes many difficulties in the fabrication of micro-optics and opens the new field of 3D printed micro- and nano-optics with complex lens designs. Our work is just at the interface between micro- and nano-optics and represents a paradigm shift for micro-optics. It takes only a few hours from lens design, to production, testing, and the final working optical device. Using dip-in femtosecond two-photon direct laser writing, our method goes far beyond state-of-the art attempts to manufacture simple micro-lenses by lithography. We prove the versatility of this method by writing different optics. Collimation optics, toric lenses, free-form surfaces with polynomials of up to 10th order for intensity beam shaping, as well as chiral photonic crystals for circular polarization filtering, all aligned onto the core of single mode fibers are shown. In addition, we show that three-dimensional direct laser writing is a suitable tool for the fabrication of complex multi-lens optical systems that show high quality optical imaging, beam shaping performance, and tremendous compactness with sizes below 300 µm. We determine the accuracy of our optics by analyzing the imaging and beam shaping quality as well as characterizing the surfaces by atomic force microscope measurements and interferometric measurements. The method yields high fabrication accuracy and allows to manufacture of lenses with a rms (root mean square) surface roughness of less than 15 nm. The surfaces deviate from their designs by less than ±1 µm. Our 3D printed compound lenses feature resolving powers of up to 500 line pairs per millimeter. Our printed micro-optical elements can thus achieve sufficient performance in order to enable compound lenses for high quality imaging. In addition, we show the performance of diffractive optical elements with diameters of just 4.4 µm, which enable beam shaping at the end facet of an optical fiber. The intensity is shaped into a uniform or into a donut-shaped intensity distribution. For this purpose, the diffractive optics are directly fabricated onto the end facet of the optical fiber and show unprecedented performance for optical beam shaping. Our method allows for a plethora of novel applications with tremendous impact on optical trapping of atoms and in-vivo imaging in the human body. In addition, applications for imaging and illumination in endoscopy, multiple sensors, and eyes for micro-robots can be realized.Item Open Access 3D printing-as-a-service for collaborative engineering(2017) Baumann, Felix W.; Roller, Dieter (Univ.-Prof. Hon.-Prof. Dr.)3D printing or Additive Manufacturing (AM) are utilised as umbrella terms to denote a variety of technologies to manufacture or create a physical object based on a digital model. Commonly, these technologies create the objects by adding, fusing or melting a raw material in a layer-wise fashion. Apart from the 3D printer itself, no specialised tools are required to create almost any shape or form imaginable and designable. The possibilities of these technologies of these technologies are plentiful and cover the ability to manufacture every object, rapidly, locally and cost-efficiently without wasted resources and material. Objects can be created to specific forms to perform as perfectly fitting functions without consideration of the assembly process. To further the advance the availability and applicability of 3D printing, this thesis identifies the problems that currently exist and attempts to solve them. During the 3D printing process, data (i. e., files) must be converted from their original representation, e. g., CAD file, to the machine instructions for a specific 3D printer. During this process, information is lost, and other information is added. Traceability is lacking in 3D printing. The actual 3D printing can require a long period of time to complete, during which errors can occur. In 3D printing, these errors are often non-recoverable or reversible, which results in wasted material and time. In addition to the lack of closed-loop control systems for 3D printers, careful planning and preparation are required to avoid these costly misprints. 3D printers are usually located remotely from users, due to health and safety considerations, special placement requirements or out of comfort. Remotely placed equipment is impractical to monitor in person; however, such monitoring is essential. Especially considering the proneness of 3D printing to errors and the implications of this as described previously. Utilisation of 3D printers is an issue, especially with expensive 3D printers. As there are a number of differing 3D printing technologies available, having the required 3D printer, might be problematic. 3D printers are equipped with a variety of interfaces, depending on the make and model. These differing interfaces, both hard- and software, hinder the integration of different 3D printers into consistent systems. There exists no proper and complete ontology or resource description schema or mechanism that covers all the different 3D printing technologies. Such a resource description mechanism is essential for the automated scheduling in services or systems. In 3D printing services the selection and matching of appropriate and suitable 3D printers is essential, as not all 3D printing technologies are able to perform on all materials or are able to create certain object features, such as thin walls or hollow forms. The need for companies to sell digital models for AM will increase in scenarios where replacement or customised parts are 3D printed by consumers at home or in local manufacturing centres. Furthermore, requirements to safeguard these digital models will increase to avoid a repetition of the problems from the music industry, e. g., Napster. Replication and ‘theft’ of these models are uncontrollable in the current situation. In a service oriented deployment, or in scenarios where the utilisation is high, estimations of the 3D printing time are required to be available. Common 3D printing time estimations are inaccurate, which hinder the application of scheduling. The complete and comprehensive understanding of the complexity of an object is discordant, especially in the domain of AM. This understanding is required to both support the design of objects for AM and match appropriate manufacturing resources to certain objects. Quality in AM and FDM have been incompletely researched. The quality in general is increased with maturity of the technology; however, research on the quality achievable with consumer-grade 3D printers is lacking. Furthermore, cost-sensitive measurement methods for quality assessment are expandable. This thesis presents the structured design and implementation of a 3D printing service with associated contributions that provide solutions to particular problems present in the AM domain. The 3D printing service is the overarching component of this thesis and provides the platform for the other contributions with the intention to establish an online, cloud-based 3D printing service for use in end-user and professional settings with a focus on collaboration and cooperation.Item Open Access 3D Texturanalyse von Computertomographiedaten für die automatisierte Qualitätskontrolle von faserverstärkten Kunststoffen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Frommknecht, Andreas; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Qualität von Faserverbundkunststoffen (FVK). FVK sind Leichtbaumaterialien, die sich durch eine hohe Steifigkeit und Festigkeit auszeichnen. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie oft in sicherheitskritischen Bereichen eingesetzt, welche umfassende zerstörungsfreie Prüfmethoden erfordern. In der Arbeit wird dargelegt, dass die röntgenbasierte industrielle Computertomographie (CT) unter den zerstörungsfreien Prüfmethoden die umfangreichsten Informationen liefert. Es wird auf verschiedene geeignete CT-Auswertemethoden insbesondere zur Erkennung von Defekten und der Analyse der Faserorientierung eingegangen. Anhand der jeweiligen Schwächen dieser Verfahren wird die zu lösende Problemstellung abgeleitet. Die in der zweidimensionalen Bildverarbeitung weit verbreitete Texturanalyse stellt sich hierbei als geeignete Basis heraus, diese Probleme zu adressieren. Allerdings ist ein zweidimensionales Verfahren nicht ausreichend, um die komplexe dreidimensionale Struktur von FVK zu erfassen. Deshalb wird in der Arbeit eine neu entwickelte 3D Texturanalyse vorgestellt, die sowohl in der Lage ist Defekte zu erkennen, als auch Faserorientierungen zu bestimmen. Auch quantitative Informationen, wie die Defektposition und größe, sind aus den erzielten Ergebnissen des entwickelten Verfahrens ableitbar. Die in C++ implementierte 3D Texturanalyse zeigt bei der systematischen Untersuchung der Leistungsfähigkeit hinsichtlich Defekterkennung und Bestimmung der Faserorientierung gute Auswertungsergebnisse. Die Laufzeit des Verfahrens kann aufgrund der großen zu verarbeitenden Datenmenge bei der Computertomographie von wenigen Minuten auf über eine Stunde ansteigen. Hier sind weitere Optimierungen notwendig. Allgemein zeigt diese Arbeit, dass das umgesetzte Verfahren, nur durch Änderung der Parametrierung, sowohl zur Analyse der Struktur in Form der Faserorientierung, als auch zur Defekterkennung geeignet ist.Item Open Access 3D visualization of multivariate data(2012) Sanftmann, Harald; Weiskopf, Daniel (Prof. Dr.)Nowadays large amounts of data are organized in tables, especially in relational databases where the rows store the data items to which multiple attributes are stored in the columns. Information stored this way, having multiple (more than two or three) attributes, can be treated as multivariate data. Therefore, visualization methods for multivariate data have a large application area and high potential utility. This thesis focuses on the application of 3D scatter plots for the visualization of multivariate data. When dealing with 3D, spatial perception needs to be exploited, by effectively using depth cues to convey spatial information to the user. To improve the presentation of individual 3D scatter plots, a technique is presented that applies illumination to them, thus using the shape-from-shading depth cue. To enable the analysis not only of 3D but of multivariate data, a novel technique is introduced that allows the navigation between 3D scatter plots. Inspecting the large number of 3D scatter plots that can be projected from a multivariate data set is very time consuming. The analysis of multivariate data can benefit from automatic machine learning approaches. A presented method uses decision trees to increase the speed a user can gain an understanding of the multivariate data at no extra cost. Stereopsis can also support the display of 3D scatter plots. Here an improved anaglyph rendering technique is presented, significantly reducing ghosting artifacts. The technique is not only applicable for information visualization, but for general rendering or to present stereoscopic image data. Some information visualization algorithms require high computation time. Many of these algorithms can be parallelized to run interactively. A framework that supports the parallelization on shared and distributed memory systems is presented.Item Open Access 3D-printed scale model for detection of railway wheel flats using augmented vibration data from axle box(2024) Kim, Eui-Youl; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)As data-driven methods for defect detection become more prevalent in the railway industry, the demand for high-quality data continues to grow. However, field experiments are often time-consuming and constrained by practical limitations. This study introduces a methodology that uses Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printing to develop a scale model for simulating wheel flat-induced vibrations, combined with a Long Short-Term Memory (LSTM)-based generative model to produce synthetic vibration data. This approach improves data quality by enhancing quantity, variety, and velocity, while increasing data volume and reducing the need for extensive experimental testing. The LSTM-based model generates realistic synthetic data, minimizing reliance on labor-intensive field experiments and offering a broader spectrum of defect scenarios. By accelerating the data generation process, this method provides an effective alternative in a laboratory setting and contributes to foundational research aimed at improving defect detection and maintenance processes in the railway industry.Item Open Access 3D-printed stimuli-responsive soft microrobots(2023) Lee, Yunwoo; Sitti, Metin (Prof. Dr.)Untethered microrobots, i.e., mobile microrobots, with overall sizes less than 1 mm are receiving significant attention due to their great potential to conduct targeted and minimally invasive therapeutic delivery and medical treatment of diseases in the local region of the biological environment. However, there are many technical barriers in the integration of conventional on-board sensors, actuators, and batteries into micro-scale systems. To overcome these limitations, stimuli-responsive active materials with both sensing and actuation properties are integrated to mobile microrobots. Stimuli-responsive materials can morph their shape and size via swelling and deswelling mechanisms in response to external chemical, physical and other stimuli, such as heat, pH, light, magnetic field, and acoustic field, with no aid from complex wires, sensors, or batteries. While conventional fabrication methods with passive materials have led to the production of static structures, 3D printing with stimuli-responsive materials opens a new direction for 3D objects possessing volumetric transformation behavior, material property change, and shape morphing ability. In this dissertation, I integrate different stimuli-responsive materials and 3D microprinting to provide more multifunctional, versatile and complex microrobot designs based on bioinspired design principles, with a wide range of stimuli-responsive sensing and actuation properties to use them in potential biomedical applications inside the human body. In the first part, I introduce magnetically steerable 3D-printed microroller and microscrew robot designs with stimuli-responsive materials to develop volume-controllable microrobots for spatial adaptation. These wirelessly controlled microrobots possess the ability to function in response to multiple stimuli, including magnetic fields, temperature, pH, and cations, which can enhance the adaptability of the microbots to various unstructured environments. Second, octopus-inspired architectures with temperature-responsive materials to control the adhesion properties for medical purposes is proposed. Introduction of pNIPAM material leads temperature-responsive volume morphing behavior enabled controllable tissue adhesion by using externally applied magnetic fields. Furthermore, I demonstrate the capability of implementing a wide range of medical tasks repeatedly via showing the repetition of attachment and detachment processes using an external magnetic field. Finally, I present a multifunctional pollen-grain-inspired hydrogel robot by 3D direct laser printing in order to enhance the functional diversity of microrobots in biological environments. I also demonstrated multi-responsive hydrogel structures to decouple the stimulus inputs of magnetically actuated locomotion, temperature-responsive controllable attachment, and pH-responsive on-demand cargo release, respectively. The temperature-responsive outer crust shells made of pNIPAM enabled controlling the attachment of the microrobot by shrinking up to 49%, revealing the robot’s spikes. In addition, the inner pollen-grain-inspired structure with spikes made of PETA with FePt nanoparticles demonstrated an improved attachment performance and magnetically guided locomotion along biological surfaces. The inner sphere made of pNIPAM-AAc successfully released drugs by pH-induced swelling.Item Open Access 3D-shell element technology, nonlinear poisson stiffening and data-integrated time step estimation(Stuttgart : Institut für Baustatik und Baudynamik, Universität Stuttgart, 2025) Willmann, Tobias; Bischoff, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)This thesis deals with three aspects of the finite element method: the development of three-dimensional shell elements, the explanation of a previously largely unknown stiffening effect, and a data-integrated approach for estimating the critical time step size in simulations with explicit time integration. A family of three-dimensional finite shell elements is developed by describing the velocity field as a polynomial in the out-of-plane coordinate while discretizing the shell plane with bilinear Lagrange polynomials. The elements use reduced integration in combination with an hourglass control. Numerical examples show that the developed shell elements with a quadratic or cubic velocity field in the out-of-plane coordinate yield more accurate results compared to elements with linear velocity field or elements based on the Reissner-Mindlin shell model. The thesis furthermore investigates and explains the nonlinear Poisson stiffening effect, a previously largely unknown stiffening effect. This effect is a nonlinear variant of Poisson thickness locking. Its causes and symptoms as well as mitigation strategies are discussed. Additionally, its relevance is demonstrated with a series of numerical examples. For explicit dynamic simulations, the thesis introduces a data-integrated approach to estimate the critical time step size. A time step estimator based on a neural network is developed for quadrilateral two-dimensional solid elements and shell elements with a linear velocity field in the out-of-plane coordinate. An update algorithm enhances computational efficiency, making this time step estimation method applicable in practical simulations.