Universität Stuttgart
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Item Open Access Techno-ökonomische Bewertung von energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichern(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Emde, Alexander; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Um die Klimaziele erreichen zu können, muss die zukünftige Energieerzeugung zu großen Teilen über erneuerbare Energien bereitgestellt werden. Diese Erzeugungsarten unterliegen Fluktuationen, wodurch der Energiebedarf und die Energieerzeugung nicht synchron sind. Energiespeicher sind eine potenzielle Lösung, um die Erzeugung und den Verbrauch zeitlich zu entkoppeln. Energiespeichertechnologien erweisen sich nicht nur im Kontext des Stromnetzes, sondern auch im Einsatz für Industrieunternehmen als sinnvoll. So kann ein Energiespeicher für diverse Anwendungsfälle in der Industrie genutzt werden. Dabei bietet der Einsatz von Energiespeichern verschiedene Vor- und Nachteile. Die größten Hemmnisse beim Einsatz von Energiespeichertechnologien sind die zu hohe Investition und zu geringen Erlöse. Fokus der Arbeit ist die Bewertung und Auslegung von energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichersystemen für Industrieunternehmen und die damit verbundenen wirtschaftlichen Erlöse, die ein Industrieunternehmen erzielen kann. Das Ergebnis ist ein neues methodisches Vorgehen zur techno-ökonomischen Bewertung von energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichern, der es erlaubt, den Einsatz, die Investition und die Erlöse von Energiespeichersystemen im industriellen Kontext zu optimieren und damit ein zukunftsorientiertes Energiesystem zu betreiben. In dieser Arbeit werden die Anwendungsfälle Netzentgeltreduktion (Peak Shaving und Atypische Netznutzung), Eigenverbrauchsoptimierung, Effizienzsteigerung und Nutzung dynamischer Strompreise näher betrachtet. Dabei wird sich auf die Kombination von elektrochemischen, thermischen, mechanischen und chemischen Energiespeichern zu energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichersystemen fokussiert. Anhand zweier Fallstudie aus der Praxis werden jeweils monoenergetische und hybride Energiespeicherkonfigurationen ausgelegt und bewertet. Dabei zeigt sich, dass die Wirtschaftlichkeit stark von den technischen und ökonomischen Kennwerten der Energiespeichertechnologien und von den eingesetzten Energieträgern abhängig ist.Item Open Access Anti-adhesive surfaces inspired by bee mandible surfaces(2023) Saccardi, Leonie; Schiebl, Jonas; Balluff, Franz; Christ, Ulrich; Gorb, Stanislav N.; Kovalev, Alexander; Schwarz, OliverPropolis, a naturally sticky substance used by bees to secure their hives and protect the colony from pathogens, presents a fascinating challenge. Despite its adhesive nature, honeybees adeptly handle propolis with their mandibles. Previous research has shown a combination of an anti-adhesive fluid layer and scale-like microstructures on the inner surface of bee mandibles. Our aim was to deepen our understanding of how surface energy and microstructure influence the reduction in adhesion for challenging substances like propolis. To achieve this, we devised surfaces inspired by the intricate microstructure of bee mandibles, employing diverse techniques including roughening steel surfaces, creating lacquer structures using Bénard cells, and moulding resin surfaces with hexagonal patterns. These approaches generated patterns that mimicked the bee mandible structure to varying degrees. Subsequently, we assessed the adhesion of propolis on these bioinspired structured substrates. Our findings revealed that on rough steel and resin surfaces structured with hexagonal dimples, propolis adhesion was significantly reduced by over 40% compared to unstructured control surfaces. However, in the case of the lacquer surface patterned with Bénard cells, we did not observe a significant reduction in adhesion.Item Open Access Analytic free-energy expression for the 2D-Ising model and perspectives for battery modeling(2023) Markthaler, Daniel; Birke, Kai PeterAlthough originally developed to describe the magnetic behavior of matter, the Ising model represents one of the most widely used physical models, with applications in almost all scientific areas. Even after 100 years, the model still poses challenges and is the subject of active research. In this work, we address the question of whether it is possible to describe the free energy A of a finite-size 2D-Ising model of arbitrary size, based on a couple of analytically solvable 1D-Ising chains. The presented novel approach is based on rigorous statistical-thermodynamic principles and involves modeling the free energy contribution of an added inter-chain bond DAbond(b, N) as function of inverse temperature b and lattice size N. The identified simple analytic expression for DAbond is fitted to exact results of a series of finite-size quadratic N N-systems and enables straightforward and instantaneous calculation of thermodynamic quantities of interest, such as free energy and heat capacity for systems of an arbitrary size. This approach is not only interesting from a fundamental perspective with respect to the possible transfer to a 3D-Ising model, but also from an application-driven viewpoint in the context of (Li-ion) batteries where it could be applied to describe intercalation mechanisms.Item Open Access Gestaltungsrichtlinien zur systematischen Verbesserung der Spanguterfassung bei der Fräsbearbeitung von CFK(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Gebhardt, Andreas; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind High-End-Leichtbauwerkstoffe, mit einem hohen Potenzial zur Leistungssteigerung von Maschinen und Produkten sowie zur Energieeinsparung. Ihre Herstellung erfolgt typischerweise unter Einsatz trockener Fräsprozesse, deren Spangut eine besondere Gefährdung darstellt und sicher erfasst werden muss. Der Prozess der Spangutabsaugung stand bisher nicht im Fokus der Wissenschaft, obgleich er eine hohe wirtschaftliche und technische Relevanz aufweist. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher zunächst dem Stand der Technik in der fertigenden Industrie sowie den Anforderungen der CFK-zerspanenden Betriebe. Hieraus wird die Notwendigkeit dieser Arbeit aufgezeigt, die Absaugprozesse effektiver und effizienter zu gestalten und systematisches Grundlagenwissen zur Auslegung von Absaugsystemen zu schaffen. In einer theoretischen Betrachtung des Absaugprozesses werden die relevanten Einflussgrößen identifiziert und anschließend experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird auf grundlegende Fragen zur Spanbildung von CFK eingegangen. Es folgen Untersuchungen zum Spangutauswurf und dessen Optimierung für eine verbesserte Erfassung. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Gestaltungsrichtlinien für Absaugsysteme formuliert, die zur Optimierung dreier wesentlicher Varianten von Absaugsystemen genutzt werden. Diese werden abschließend anhand von zwei Schikanebauteilen bewertet. Diese Validierung zeigt das hohe Potenzial zur Steigerung der Spanguterfassung und zur Senkung des Energiebedarfs.Item Open Access Entwicklung eines effizienten, auf Stereolithographie basierenden additiven Fertigungsprozesses zur Herstellung hochgefüllter Grünkörper(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Springer, Patrick; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines effizienten, auf Stereolithographie basierenden additiven Fertigungsprozesses zur Herstellung hochgefüllter Grünkörper. Zusätzlich sollte ein praktischer Nachweis der Anwendbarkeit im Labormaßstab erbracht und eine Abschätzung der erreichbaren Effizienz vorgenommen werden. Innerhalb der Arbeit wurde ein Gesamtprozess konzipiert, der parallelisierbar und skalierbar ist und somit ein hohes Effizienzpotenzial besitzt. Auf dieser Basis wurden die zugrundeliegenden Teilprozesse Materialauftrag und Glättung untersucht, entsprechende Aufbauten entwickelt und optimiert sowie die notwendige Prozessentwicklung betrieben. Im Anschluss wurden die Teilprozesse zu einem Gesamtprozess im Labormaßstab verkettet und analysiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass mittels des Verfahrens Musterbauteile herstellbar sind und potenziell Aufbauraten erreicht werden können, die über denen liegen, die von aktuell verfügbaren kommerziellen Anlagen erreicht werden.Item Open Access Auslegung von Regelungssystemen industrieller Gleichspannungs-Mikronetze(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Schaab, Darian Andreas; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Der elektrische Energiebezug in der Industrie wird zu rund zwei Dritteln mit elektrischen Maschinen in mechanische Energie umgewandelt. Ein wachsender Anteil dieser Antriebe wird mit Leistungswandlern betrieben, deren verlustbehaftete Energiewandlung Gleichstrom als eine Zwischenstufe nutzt. Motiviert durch das Potenzial, diese Verluste an den Wandlungsstellen zu reduzieren, Energie aus Produktionsprozessen in das Versorgungssystem zurückzuführen - und somit Energie einzusparen - sowie regenerative Energiequellen vor Ort in das Versorgungssystem zu integrieren, kommt der Einsatz von industriellen Gleichstrom-Mikronetze als Lösungsansatz auf. Erst der Ausgleich von Leistungsbezug und -erzeugung stellt die Versorgungsaufgabe eines elektrischen Netzes sicher. Die von Lasten bezogene Leistung und die Einspeiseleistung muss aktiv in ein Gleichgewicht geführt werden. Ein Regelungssystem ist notwendig. Das Regelungssystem des Wechselstrom-Verbundnetzes liegt in der Hand der Übertragungsnetzbetreiber und betrachtet industrielle Endverbraucher als volatile Lasten, sodass industrielle Wechselspannungsanlagen heutzutage kein lokales Regelungssystem betreiben. Die Gleichspannungszwischenkreise von Antriebssystemen in Produktionsanlagen besitzen ein Regelungssystem, das aber keine lokalen und parallel betriebenen Energiequellen einbezieht. Soll nun lokal, in einer Produktionshalle oder für ein ganzes Industriewerk ein Mikronetz eingesetzt werden, um Wandlungsverluste einzusparen und/oder lokale Energiequellen einzubinden, ist es notwendig, ein Regelungssystem dafür zu entwickeln. Neben der grundlegenden Regelungsarchitektur muss das Regelungssystem individuell je nach Anwendungsfall ausgelegt werden. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit der zentralen Forschungsfrage: Wie kann ein Regelungssystem für ein industrielles Gleichspannungs-Mikronetz ausgelegt werden mit dem Ziel, Leistungsgleichgewicht und Leistungsaufteilung zu erreichen? Die Arbeit führt zunächst in elektrische Versorgungssysteme und den Einsatz von Leistungselektronik in der Industrie ein. Die Problemstellung und der Forschungsbedarf werden dargelegt und die Zielsetzung sowie die Forschungsfragen, die den Aufbau der Arbeit leiten, vorgestellt. In den Grundlagen wird der Betrachtungsrahmen der Arbeit definiert und in wesentliche Theorien eingeführt. Anhand verwandter und übertragbarer Ansätze zur Regelung von Gleichspannungs-Mikronetzen werden die Anforderungen an das Regelungssystem und die Auslegung abgeleitet. Der sich daraus ergebende Handlungsbedarf wird diskutiert. Zur Beantwortung der zentralen Forschungsfrage wird ein Vorgehensmodell zur Auslegung entworfen. Dieses wird anschließend in den Fallbeispielen einer Roboterzelle und einer Hallenversorgung erprobt. Die Arbeit schließt mit der Bewertung der Anforderungen und der zusammenfassenden Beantwortung der Forschungsfragen. Der gefundene Lösungsansatz umfasst neun Prozeduren: Auslegungsmodell erzeugen, Systemverhalten identifizieren, funktionale Zustände entwerfen, Regelkennlinien bestimmen, Primärregler entwerfen, Großsignalstabilität prüfen, Netzresonanzen entkoppeln, Umschaltpunkte analysieren und Übergangsstabilität sicherstellen. Die technischen Zusammenhänge werden detailliert beschrieben und lösungsorientierte Hilfsmittel für die Auslegungsaufgabe vorgestellt. Diese werden zunächst theoretisch behandelt, wobei die wesentlichen Auslegungsregeln hergeleitet und vorgestellt werden. Für zwei reale Fallbeispiele werden die Parameter des Regelungssystems bestimmt. Theoretisches und reales Verhalten werden experimentell abgeglichen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die gefundene Lösung das reale Verhalten des Regelungssystems außerordentlich gut vorhersagen kann. Die gefundene Methode reduziert die Komplexität der Auslegung des Regelungssystems maßgeblich, da die Auslegung auf die wesentlichen Schritte reduziert wird. Die detaillierte Darstellung der physikalischen Zusammenhänge und die exakte Begründung der empfohlenen Grenzen erlaubt es, die Methode für den jeweiligen Anwendungsfall abzuwandeln. Die Methode bietet dem Projektierer einen einfachen Zugang zu relevantem Wissen bzgl. der Auslegung des Regelungssystems. Sie ermöglicht, definierte Problemstellungen des jeweiligen Anwendungsfalles zu bewerten und die notwendigen Werkzeuge zielführend und lösungsorientiert anzuwenden.Item Open Access Methodology for the systematic identification, evaluation, and management of operation-friendly energy flexibility in industrial systems(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Tristán-Jiménez, Alejandro; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)This work proposes a methodology to systematically identify, evaluate and manage operation-friendly industrial energy flexibility measures. It is structured in three consecutive phases. In the first phase, the available industrial systems, their relevant features, and their energy consumption patterns are analysed to identify and characterise energy flexibility measures according to their functional, temporal, performance, and economic dimensions. The second phase evaluates each energy flexibility measure's technical and financial capacity to pursue relevant energy flexibility goals. The risks of implementing and utilising these measures are also assessed. In the third phase, energy flexibility measures are prioritised for implementation. Complementary, their utilization strategy is outlined by hierarchizing the energy flexibility goals to be pursued by the industrial facility. The results are summarized into a roadmap for industrial facilities to become energy flexible, enabling them to optimize their energy consumption hence becoming more competitive.Item Open Access Strategische Planung von Produktionskompetenzen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Balzer, Viktor; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Der Wandel des Konsumverhaltens und disruptive Geschäftsmodelle im Sinne von Business-to-User führen zu einem Wettbewerb um den Kundennutzen. Die Produktion befindet sich in einem Wandel hin zu einer nutzenzentrierten Produktion in einem Wettbewerb, der heute zusätzlich aus mehreren kleineren und finanzstarken Wettbewerbern besteht, die vorhandene Ansätze der Produktion und Werterzeugung traditioneller Industrieunternehmen herausfordern. Unternehmen müssen daher in der Lage sein, ihre Innovationskraft noch spezifischer und agiler in Kundennutzen zu transformieren. Verschiedene Studien des Fraunhofer IPA, der McKinsey & Company, der Boston Consulting Group und der PwC verdeutlichen, dass trotz der hohen Dynamik und Wettbewerbssituation Ressourcen und Investitionen nicht mit der entsprechenden Agilität oder ohne strategischen Bezug allokiert werden. Demnach überleben zwei Drittel aller Unternehmen industrielle Disruptionen nicht. Die Studien verdeutlichen, dass das Management nicht weiß, wo und in welchen Größenordnungen Ressourcen nutzenstiftend allokiert werden sollen. Des Weiteren werden Entscheidungen durch kognitive und organisatorische Verzerrungen der Risikobewertung beeinträchtigt. Zur Lösung dieses Problems ist in dieser Arbeit eine Methodik zur strategischen Planung von Produktionskompetenzen entwickelt worden, die folgende konkrete Bedarfe adressiert: • Lokalisierung und Bewertung wettbewerbsrelevanter und nutzenstiftender Produktionsressourcen, • agile Produktionsressourcen- und Investitionsallokation im Kontext nutzenzentrierten Wettbewerbs, • objektivierte und dynamische Bewertung von Investitionsentscheidungen. Die Methodik besteht in Anlehnung an Patzaks Modelltheorie aus einem Erklärungs-, einem Prognose- und einem Entscheidungsmodell. Das Erklärungsmodell bildet ein generisches Fit-Modell ab. Durch das generische Fit-Modell können nutzenstiftende und wettbewerbsrelevante Ressourcen gebündelt in Form von Produktionskompetenzen unabhängig von konkreten Strategien generisch lokalisiert werden. Das generische Fit-Modell wird mit dem Prognose- und Entscheidungsmodell auf strategische Initiativen instanziiert. Die strategischen Initiativen werden durch ein Bündel aus Realoptionen modelliert. Im Ergebnis können so Veränderungen der Wettbewerbsposition einzelner Produktionskompetenzen in Form von strategischen Initiativen monetär bewertet, ex ante formiert und ex post für den Fall der emergenten Entstehung formalisiert werden. Aufgrund der hohen Praxisorientierung dieser Arbeit wird das Modell als Software in Form einer Software as a Service (SaaS) implementiert. Die Methodik wurde am Beispiel eines Unternehmens zur Herstellung personalisierter Kosmetikprodukte auf ihre Praxistauglichkeit hin untersucht. Unternehmen werden befähigt agil, auf Nutzen- und Wettbewerbsveränderungen zu reagieren und Ressourcen in Form von strategischen Initiativen nutzen- und wettbewerbsorientiert zu allokieren.Item Open Access Entscheidungsmodell für die Bestimmung optimaler Investitionsprogramme von Energieeffizienzmaßnahmen in der Fabrik(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Schneider, Christian; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Im Zuge einer möglichst zügigen Reduzierung der Treibhausgasemissionen kommt der Energieeffizienz in der Industrie eine gewichtige Rolle zu. Autoren sehen begrenzte Fortschritte in der Energieeffizienz eng verknüpft mit dem begrenzt rationalen Verhalten der beteiligten Akteure. Entscheidungen in der Energieeffizienz werden demnach oftmals basierend auf unvollständigen Informationen getroffen, da die Sammlung von Informationen Beschränkungen unterworfen ist und zudem nur eine begrenzte Anzahl an Alternativen geprüft wird. An diesem Punkt zeichnet sich ein Spannungsfeld zwischen Entscheidungstheorie und industrieller Energieeffizienz ab. Die formulierte Zielsetzung des Forschungsvorhabens basiert auf der These, dass Entscheidungsträger in der Fabrik durch ein Entscheidungsmodell in ihrer rationalen Entscheidungsfindung unterstützt werden können. Die entstehenden Herausforderungen sind in ihrer Komplexität von den Entscheidern nicht mehr überblickbar und aufgrund der eingeschränkten Rationalität von menschlichen Entscheidungen nur in seltenen Fällen im mathematischen Sinne optimal. Im Fokus der Arbeit steht die Entwicklung eines Entscheidungsmodells für die Bestimmung optimaler Investitionsprogramme von Energieeffizienzmaßnahmen in der Fabrik. Mithilfe des entwickelten Artefakts kann der optimale Investitionsplan für Energieeffizienzmaßnahmen unter Einbeziehung weiterer Nebenbedingungen ermittelt werden. Zudem können unterschiedliche Gewichtungen der Zieldimensionen durch den Entscheidender berücksichtigt werden und durch eine integrierte Monte-Carlo-Simulation ermittelte Investitionsprogramme umfassend analysiert werden. Im Rahmen von zwei Fallbeispielen wird der Nutzen des entwickelten Entscheidungsmodells validiert. In Summe werden bestehende Hemmnisse in der Energieeffizienz abgebaut und hierdurch ein Beitrag zur weiteren Steigerung der industriellen Energieeffizienz geleistet. Das Entscheidungsmodell ermöglicht es, die optimalen Investitionsprogramme unter Einbeziehung weiterer Nebenbedingungen zu ermitteln.Item Open Access Design of matrix production systems for the personalized production of mechatronic machine modules(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Foith-Förster, Petra; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Crisis-driven fluctuations of production volumes and the high number of variants in personalized production challenge production systems. To maintain their competitiveness production systems must be flexible, scalable and reconfigurable, and enable an efficient production of high volumes. Today’s prevalent mix-model production lines are dedicated to certain output quantities and a limited number of product variants. They are insufficient for personalized production in a turbulent business environment. This thesis provides a methodical system for designing matrix production systems. Matrix production systems consist of flexibly-linked process modules which are linked by a material flow only on demand. Each order pursues its own variant-specific path through the system. Due to their modular design, matrix production systems are able to integrate a variety of assembly and manufacturing processes to produce different product families in one system. The shared use of the process modules by a wide range of variants enables high utilization of investment-intensive production resources. A scaling of the output quantity or the integration of new variants is possible by functional adaptation or alteration of quantity of individual process modules with little impact on the overall system. The design method of the methodical system is based on the principles of Axiomatic Design. In a process-oriented approach, the process modules of a production system are first designed functionally and saved in a knowledge base for subsequent production system design projects. The process modules are specified for a specific functional scope according to the quantification of change barriers. To design a matrix production system suitable process modules are then selected for a specific production program and instantiated according to the capacity requirements of their functions in a flow-oriented layout. The methodical system specifies the design procedure and provides production system models and design criteria as decision support for production planners. It also specifies calculation rules for the selection of alternative solutions in the design process. Finally, an integrated evaluation method allows the comparison of alternative overall designs. The applicability and effectiveness of the methodical design system was validated with a production system design project at an electric motor manufacturer. This thesis thus makes a contribution to the competitive design of production systems.