Universität Stuttgart
Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1
Browse
120 results
Search Results
Item Open Access Enzyme-assisted circular additive manufacturing as an enabling technology for a circular bioeconomy : a conceptual review(2024) Protte-Freitag, Kristin; Gotzig, Sophia; Rothe, Hannah; Schwarz, Oliver; Silber, Nadine; Miehe, RobertAdditive manufacturing (AM) is a decisive element in the sustainable transformation of technologies. And yet its inherent potential has not been fully utilized. In particular, the use of biological materials represents a comparatively new dimension that is still in the early stages of deployment. In order to be considered sustainable and contribute to the circular economy, various challenges need to be overcome. Here, the literature focusing on sustainable, circular approaches is reviewed. It appears that existing processes are not yet capable of being used as circular economy technologies as they are neither able to process residual and waste materials, nor are the produced products easily biodegradable. Enzymatic approaches, however, appear promising. Based on this, a novel concept called enzyme-assisted circular additive manufacturing was developed. Various process combinations using enzymes along the process chain, starting with the preparation of side streams, through the functionalization of biopolymers to the actual printing process and post-processing, are outlined. Future aspects are discussed, stressing the necessity for AM processes to minimize or avoid the use of chemicals such as solvents or binding agents, the need to save energy through lower process temperatures and thereby reduce CO2 consumption, and the necessity for complete biodegradability of the materials used.Item Open Access Selbsteinstellende Regelung von Schwungmassenspeichersystemen in industriellen Gleichspannungszwischenkreisen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Laribi, Raoul; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Der industrielle Energieeinsatz ist zum Großteil auf motorische Verbraucher zurückzuführen. Die elektrische Leistung für die dynamischen Beschleunigungs- und Bremsvorgänge von Industriemaschinen müssen durch Gleichrichter vorgehalten werden, auch wenn die maximalen Leistungen nur kurzzeitig auftreten. Dies führt zu überdimensionierten Anschlussleistungen und dementsprechenden Kosten für die elektrische Versorgung. Schwungmassenspeichersysteme können dazu eingesetzt werden, die Spitzenleistungen einer Industriemaschine aus Netzsicht zu reduzieren, Bremsenergie aufzunehmen und zusätzliche Erzeugungskapazität für neuinstallierte Prozesse bereitzustellen. Die Nachrüstung eines Schwungmassenspeichersystems in einer Industriemaschine ist ein komplexer Inbetriebnahmevorgang, der mithilfe der vorliegenden Arbeit vereinfacht wird. In der Arbeit wird ein Software-Artefakt für eine selbsteinstellende Regelung von Schwungmassenspeichersystemen in industriellen Gleichspannungszwischenkreisen entwickelt. Es ermöglicht die virtuelle Inbetriebnahme eines nachgerüsteten Schwungmassenspeichersystems, bevor die Hardware des Speichersystems integriert wird. Darüber hinaus werden die relativen Potenziale der Leistungsreduktion und Nutzung von Bremsenergie simulativ bestimmt und bewertet. Das Software-Artefakt der selbsteinstellenden Regelung setzt sich aus vier Funktionsmodulen zusammen. Dazu gehören die Lastprofilerkennung, die Systemidentifikation des Frequenzumrichters der Industriemaschine, der Reglerentwurf und die Speicherregelung. Die selbsteinstellende Regelung wurde in zwei Fallbeispielen für die Lastprofile einer Werkzeugmaschine und einer Holzbearbeitungsmaschine erfolgreich validiert.Item Open Access Modellbasierte Softwareentwicklung für mobile Manipulatoren im industriellen Einsatz(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Bubeck, Alexander; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Roboter, die Mobilität und Manipulation verbinden, stehen in immer größerer Anzahl für den Einsatz in Wissenschaft, aber auch in industriellen Anwendungen zur Verfügung. Jedoch ist die Softwareentwicklung durch die hohe Anzahl an Aktoren und Sensoren für solche Robotersysteme aufwändig und komplex. Eine Nutzung ist im industriellen Kontext daher oft nicht wirtschaftlich. Ziel dieser Arbeit ist eine Verbesserung der Softwareentwicklung durch modellgetriebene Entwicklungsmethodik herbeizuführen, um durch geringeren Aufwand, durch verstärkte Wiederverwendung bestehender Software und durch das bessere Separieren von Expertenwissen die Entwicklungskosten zu senken. Dazu wird im Rahmen dieser Arbeit eine direkte formale Beschreibung des ROS Komponentenframeworks als Meta-Modell entwickelt, auf dessen Basis eine Entwicklungstoolchain umgesetzt wird. Die konzeptionelle Nähe zu den bestehenden Mechanismen innerhalb des Komponentenframeworks ermöglicht eine schnellere Akzeptanz bei ROS Entwicklern sowie die Wiederverwendung bestehender ROS Komponenten. In der Umsetzung des Meta-Modells wird dabei die Auftrennung von Entwicklerrollen und -belangen umgesetzt. Zudem wird durch Modelltransformationen eine Unterstützung von anderen Roboterframeworks und Meta-Modellen implementiert. Die entwickelte Toolchain wird in dieser Arbeit im Rahmen von drei Case Studies auf Roboterentwicklungsprozesse angewandt und bzgl. Wiederverwendbarkeit, der Auftrennung von Nutzerrollen und des Entwicklungsaufwands analysiert. Dabei kann eine Effizienzsteigerung und eine Verbesserung von Wiederverwendungsmetriken gezeigt werden. Mit Hilfe einer Entwicklerbefragung wird zudem eine qualitative Verbesserung von Entwicklungsprozessen für mobile Manipulatoren durch die modellbasierte Toolchain nachgewiesen.Item Open Access Zustandsmodellbasierte, steuerungsnahe Energieverbrauchsoptimierung von Werkzeugmaschinen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Eberspächer, Philipp; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Ressourceneffizienz und Umweltschutz haben in den letzten Jahren auch für die Industrie deutlich an Bedeutung gewonnen. Der Druck auf Unternehmen bezogen auf die Energieeffizienz in der Fertigung steigt zum einen durch nationale und internationale Richtlinien, durch steigende Strompreise, durch den Wettbewerb, aber auch direkt durch die Erwartungen der Gesellschaft. Um weiterhin wirtschaftlich agieren zu können, verfolgen industrielle Unternehmen das Ziel, ihre Energiekosten zu reduzieren. Speziell beim Betrieb von Werkzeugmaschinen wird vor allem während der Nicht-Produktivzeit elektrische Energie unnötig umgesetzt, da zwar Energiesparmodi dem Stand der Technik entsprechen, diese jedoch nicht effizient aufgerufen werden. Mit dieser Arbeit wird daher das Ziel verfolgt, Zeiten, in denen Werkzeugmaschinen nicht produzieren, energieverbrauchsoptimal zu überbrücken. Es wird eine parametrier-bare, modellbasierte Lösung zur Energieverbrauchsoptimierung für Werkzeugmaschinen während Produktionsunterbrechungen entwickelt. Zunächst wird eine Methode untersucht und entwickelt, die es ermöglicht, ein Betriebszustandsmodell während des Betriebs von Werkzeugmaschinen zur Verbrauchsberechnung und zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustands einzusetzen. Um dieses mit deutlich reduziertem Aufwand zu identifizieren und zu parametrieren, wird daraufhin eine Methode zur teilautomatisierten Zustandsmodellerstellung entwickelt, die es zusätzlich ermöglicht Expertenwissen zu integrieren. Das so parametrierte Betriebszustandsmodell kann dann bei der Energieverbrauchsoptimierung eingesetzt werden. Zum Abschluss wird eine Methode zur verbrauchsmodellbasierten Energieverbrauchsoptimierung hergeleitet. Der Optimierungsmethode liegen graphenbasierte Suchalgorithmen bei der Ermittlung der energieverbrauchsoptimalen Betriebszustandssequenzen während Produktionsunterbrechungen zu Grunde. Die Einsetzbarkeit der entwickelten Methoden wird an einer Demonstratormaschine vom Typ Digma HSC600 der Firma Exeron innerhalb eines Steuerungsframeworks validiert.Item Open Access Online motion planning for dual arm industrial robots(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Beuke, Felix; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)The trend toward consumer products of ever-increasing individuality poses several challenges for the domain of manufacturing automation. One of these challenges relates to the flexibility of devices used in industrial automation. In classical low-variability and high-throughput automation, plants could be designed and financed with several years of constant uptime in mind. In contrast, automated manufacturing of more and more individualized goods requires adapted manufacturing processes with shorter cycles and more flexible automation equipment. The higher variability and shorter life-cycle of manufactured goods often entails an uncertainty that makes investment in highly-specialized but inflexible automation equipment unprofitable. This creates a growing need for more flexible equipment that can be reused when the produced goods or parts of the production process change. Against this backdrop, the field of collaborative robotics has received increased interest and development activity over the past years. These robots can work in close proximity to humans and do not need to be fenced off in dedicated safety areas, thus enabling a more flexible use of the equipment. The idea of flexibility is taken further in this context by the development of dual-arm robots that mimic the morphology of the human upper body with two arms mounted on one common body. While these devices potentially offer increased flexibility and can work on a set of tasks otherwise reserved for humans (e.g., dual-arm handling, parallel work with both arms) the close proximity of the arms brings about new problems in the application of these robots. Using available programming methods for creating collision-free and coordinated motions for dual-arm robots is often complex and leads to long application times, which takes away a considerable part of the added flexibility introduced by dual-arm robots. To enable users to leverage the potential flexibility of industrial dual-arm robots more easily, this work develops a coordinated motion planner and associated control infrastructure for dual-arm industrial robots. Together, these components relieve the programmer of the responsibility to prevent arm collisions by specifying an exact temporal synchronization for both arms. Instead, collision-free and coordinated motions are automatically planned and executed based on a geometrical model. Moreover, it can serve as an application basis for more high-level planners for dual-arm industrial robots. The proposed planner and control architecture are implemented and evaluated on a real dual-arm robot.Item Open Access Optimization of disassembly strategies for electric vehicle batteries(2021) Baazouzi, Sabri; Rist, Felix Paul; Weeber, Max; Birke, Kai PeterVarious studies show that electrification, integrated into a circular economy, is crucial to reach sustainable mobility solutions. In this context, the circular use of electric vehicle batteries (EVBs) is particularly relevant because of the resource intensity during manufacturing. After reaching the end-of-life phase, EVBs can be subjected to various circular economy strategies, all of which require the previous disassembly. Today, disassembly is carried out manually and represents a bottleneck process. At the same time, extremely high return volumes have been forecast for the next few years, and manual disassembly is associated with safety risks. That is why automated disassembly is identified as being a key enabler of highly efficient circularity. However, several challenges need to be addressed to ensure secure, economic, and ecological disassembly processes. One of these is ensuring that optimal disassembly strategies are determined, considering the uncertainties during disassembly. This paper introduces our design for an adaptive disassembly planner with an integrated disassembly strategy optimizer. Furthermore, we present our optimization method for obtaining optimal disassembly strategies as a combination of three decisions: (1) the optimal disassembly sequence, (2) the optimal disassembly depth, and (3) the optimal circular economy strategy at the component level. Finally, we apply the proposed method to derive optimal disassembly strategies for one selected battery system for two condition scenarios. The results show that the optimization of disassembly strategies must also be used as a tool in the design phase of battery systems to boost the disassembly automation and thus contribute to achieving profitable circular economy solutions for EVBs.Item Open Access Comparison of the temperature, radiation, and heat flux distribution of a hydrogen and a methane flame in a crucible furnace using numerical simulation(2024) Mages, Alexander; Sauer, AlexanderSustainable technologies to replace current fossil solutions are essential to meet future CO2 emission reduction targets. Therefore, this paper compares key performance indicators of a hydrogen- and a methane-flame-fired crucible furnace with computational fluid dynamics simulations at identical firing powers, aiming to fully decarbonize the process. Validated numerical models from the literature were used to compare temperatures, radiation fields, radiation parameters and heat transfer characteristics. As a result, we observed higher combustion temperatures and a 19.0% higher fuel utilization rate in the hydrogen case, indicating more efficient operating modes, which could be related to the increased radiant heat flux and temperature ranges above 1750 K. Furthermore, higher scattering of the heat flux distribution on the crucible surface could be determined indicating more uneven melt bath temperatures. Further research could focus on quantifying the total fuel consumption required for the heating up of the furnace, for which a transient numerical model could be developed.Item Open Access Untersuchung von modellbasierter Fehlerkompensation und erweiterter Positionsregelung zur Genauigkeitssteigerung von roboterbasierten Zerspanungsprozessen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Schneider, Ulrich Johannes; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Produktionssysteme haben sich in den letzten Jahrzehnten stark verändert. Während Mitte des 20. Jahrhunderts der Fokus auf Skaleneffekten durch Massenproduktion lag, werden heute außer geringen Produktionskosten noch weitere Anforderungen an Produktionssysteme gestellt. Produkte werden in einer großen Variantenvielfalt hergestellt, jedes Produkt muss zu einem möglichst großen Grad auf die Bedürfnisse des Kunden abgestimmt werden. Daraus resultierend wird eine hohe Flexibilität und Wandlungsfähigkeit von Produktionsanlagen erwartet. Industrieroboter sind ein nützliches Mittel, um verschiedene Prozesse in einer Produktionsanlage umzusetzen. Jedoch wird der Einsatz von Industrierobotern bisher noch durch verschiedene Faktoren begrenzt: Anforderungen an Sicherheit, Programmierung und Genauigkeit schränken beispielsweise das Anwendungsspektrum stark ein. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Steigerung der Genauigkeit von Industrierobotern in spanenden Prozessen, mit dem Ziel Roboter für ein breites Anwendungsspektrum zu qualifizieren. Die Literatur behandelt bereits verschiedene Maßnahmen, um die Genauigkeit von Industrierobotern zu verbessern. Zum einen wird das Roboterverhalten modelliert und zur Kompensation von Abweichungen verwendet. Im Speziellen wird in der Literatur die Vermessung der Kinematik und die Bestimmung von Steifigkeitsparametern zur Kompensation der Abdrängung durch Kräfte am Endeffektor betrachtet. Limitierender Faktor dieser Kompensationen ist jeweils die Güte des identifizierten Modells, welches das Roboterverhalten abbildet. Zum anderen wird zusätzliche Sensorik verwendet, um die Präzision der Positionierung und Bahnführung zu verbessern. Es werden sowohl Sensoren auf Gelenkebene eingesetzt als auch großvolumige Messsysteme verwendet, welche die Pose des Endeffektors im Raum erfassen. Im statischen Fall kann damit eine gute Genauigkeit erzielt werden, jedoch lassen sich mit diesen Mitteln die dynamischen Eigenschaften des Industrieroboters nur marginal beeinflussen, da sie maßgeblich von der Masse, der Steifigkeit und der Reibung bestimmt werden. Schwingungen jenseits der Bandbreite des Roboters können demnach nicht durch die Robotermechanik kompensiert werden. Aufbauend auf einer systematischen Analyse von Einflussparametern auf den Roboter in spanenden Prozessen werden in dieser Arbeit verschiedene Methoden zur Genauigkeitssteigerung weiterentwickelt. Zunächst wird die Kompensation der Abdrängung des Endeffektors durch Prozesskräfte, als einer der wesentlichen Quellen von Fehlpositionierung, adressiert. Durch einen neuen Ansatz der Beschreibung des Verformungsverhaltens durch nichtlineare Funktionen in mehreren Freiheitsgraden kann das Roboterverhalten realitätsnäher abgebildet werden. Eine innovative Identifikationsmethode erlaubt die Bestimmung der Modellparameter basierend auf einer breiten Datenbasis. Aus einer Onlinemessung von Kräften und Momenten am Endeffektor und aus dem vorgestellten Modell kann online die Verformung des Roboters berechnet und kompensiert werden. Um den Fehler beim Zerspanen mit Industrierobotern weiter zu reduzieren, wird eine externe Aktorik eingesetzt, die aufgrund ihrer großen Dynamik Schwingungen jenseits der Bandbreite von Industrierobotern kompensieren kann. In dieser Arbeit wird eine Regelung vorgestellt, die einerseits die genaue Positionierung der Frässpindel durch Piezoaktoren gewährleistet und andererseits eine überlagerte Regelung von Roboter und Aktorik auf Basis einer direkten Positionsmessung des Endeffektors realisiert. Dabei wird der Fehler der relativen Positionierung von Werkstück und Werkzeug sowohl der Robotersteuerung als auch der Aktorik als Rückführgröße zur Verfügung gestellt. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei dem eingeschränkten Stellbereich der Aktorik gewidmet. Zur Qualifizierung und relativen Einordnung der vorgestellten Methoden werden diese zusammen mit einem unkompensierten Roboter in einem produktionsnahen Anwendungsszenario evaluiert. Durch Fräsen von Kreisgeometrien in Stahl und Vermessung auf einer Koordinatenmessmaschine wird die Wirksamkeit der Methoden dargestellt. Abweichungen können auf einen Bereich von ±100 m reduziert werden. Im Vergleich zum unkompensierten Fall kann der durchschnittliche Fehler um 87,4% verringert werden. Ausgehend von der praktischen Erprobung der Kompensationsmethoden wird die Eignung der Methoden für verschiedene spanende Prozesse dargestellt und analysiert. Dabei werden die Kombination der Methoden und monetäre Aspekte betrachtet. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf weitere Entwicklungspotentiale. Dabei wird zum einen die Modellierung und Identifikation der Modellparameter adressiert. Zum anderen werden konstruktive Aspekte der externen Aktorik in Betracht gezogen und Weiterentwicklungen im Bereich der Regelung des gesamten Robotersystems aufgezeigt.Item Open Access Multi-method model for the investigation of disassembly scenarios for electric vehicle batteries(2023) Baazouzi, Sabri; Grimm, Julian; Birke, Kai PeterDisassembly is a pivotal technology to enable the circularity of electric vehicle batteries through the application of circular economy strategies to extend the life cycle of battery components through solutions such as remanufacturng, repurposing, and efficient recycling, ultimately reintegrating gained materials into the production of new battery systems. This paper aims to develop a multi-method self-configuring simulation model to investigate disassembly scenarios, taking into account battery design as well as the configuration and layout of the disassembly station. We demonstrate the developed model in a case study using a Mercedes-Benz battery and the automated disassembly station of the DeMoBat project at Fraunhofer IPA. Furthermore, we introduce two disassembly scenarios: component-oriented and accessibility-oriented disassembly. These scenarios are compared using the simulation model to determine several indicators, including the frequency of tool change, the number and distribution of robot routes, tool utilization, and disassembly time.Item Open Access Framework für die energieoptimale Ansteuerung von Werkzeugmaschinen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Schlechtendahl, Jan; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Werkzeugmaschinen haben einen großen Anteil am elektrischen Gesamtenergiebedarf der deutschen Industrie. Studien zur Reduktion des Energieverbrauchs von Werkzeugmaschinen haben ergeben, dass eine Senkung des Energieverbrauchs nur durch viele Einzelmaßnahmen möglich ist. Die Umsetzung von Einzelmaßnahmen erfolgt nach einer Umfrage des Instituts der deutschen Wirtschaft Köln allerdings heute nur, wenn diese sich kostengünstig realisieren lassen (Mahammadzadeh 2013). An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an, die ein Framework für die energieoptimale Ansteuerung beschreibt, mit dem unterschiedliche steuerungstechnische Einzelmaßnahmen zur Energieoptimierung von Werkzeugmaschinen zur Laufzeit einfach und kostengünstig umgesetzt werden können. Ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik werden dafür zuerst Konzepte entwickelt, um den energetischen Istzustand der Werkzeugmaschine zu erfassen. Als zweiter Schritt erfolgt dann die Definition von allgemeingültigen Stelleingriffen, mit denen der Energieverbrauch gesenkt werden kann. Um Einzelmaßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs durch Energieoptimierer durchführen zu können, werden die Schnittstellen der Energieoptimierer definiert sowie Mechanismen entwickelt, um die Energieoptimierer ins Framework einzubinden. Da eine Optimierung heute maßgeblich von Randbedingungen (wie z.B. einer Pausenzeit) abhängt, wird weiterhin ein Konzept zur Parametrierung und Überwachung der Energieoptimierer zur Laufzeit entworfen. Die Parametrierung kann dabei durch ein übergeordnetes Manufacturing Execution System (MES) oder durch den Maschinenbediener über eine Bedienoberfläche erfolgen. Den Abschluss der Arbeit bilden eine Realisierung der Konzepte sowie deren Evaluation. Durch die Evaluierung wird gezeigt, dass eine energieoptimale Ansteuerung durch das in dieser Arbeit entwickelte Framework in Kombination mit einem Energieoptimierer einfach und kostengünstig realisiert werden kann.