Universität Stuttgart
Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1
Browse
Search Results
Item Open Access CHEMampere : technologies for sustainable chemical production with renewable electricity and CO2, N2, O2, and H2O(2022) Klemm, Elias; Lobo, Carlos M. S.; Löwe, Armin; Schallhart, Verena; Renninger, Stephan; Waltersmann, Lara; Costa, Rémi; Schulz, Andreas; Dietrich, Ralph‐Uwe; Möltner, Lukas; Meynen, Vera; Sauer, Alexander; Friedrich, K. AndreasThe chemical industry must become carbon neutral by 2050, meaning that process‐, energy‐, and product‐related CO2 emissions from fossil sources are completely suppressed. This goal can only be reached by using renewable energy, secondary raw materials, or CO2 as a carbon source. The latter can be done indirectly through the bioeconomy or directly by utilizing CO2 from air or biogenic sources (integrated biorefinery). Until 2030, CO2 waste from fossil‐based processes can be utilized to curb fossil CO2 emissions and reach the turning point of global fossil CO2 emissions. A technology mix consisting of recycling technologies, white biotechnology, and carbon capture and utilization (CCU) technologies is needed to achieve the goal of carbon neutrality. In this context, CHEMampere contributes to the goal of carbon neutrality with electricity‐based CCU technologies producing green chemicals from CO2, N2, O2, and H2O in a decentralized manner. This is an alternative to the e‐Refinery concept, which needs huge capacities of water electrolysis for a centralized CO2 conversion with green hydrogen, whose demand is expected to rise dramatically due to the decarbonization of the energy sector, which would cause a conflict of use between chemistry and energy. Here, CHEMampere's core reactor technologies, that is, electrolyzers, plasma reactors, and ohmic resistance heating of catalysts, are described, and their technical maturity is evaluated for the CHEMampere platform chemicals NH3, NOx, O3, H2O2, H2, CO, and CxHyOz products such as formic acid or methanol. Downstream processing of these chemicals is also addressed by CHEMampere, but it is not discussed here.Item Open Access Entwicklung und Analyse nachgiebiger pneumatischer Drehantriebe(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Stoll, Johannes T.; Pott, Andreas (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)Für den Antrieb kollaborativer Knickarmroboter stellen pneumatische Antriebe eine Alternative zu den bewährten elektrischen Antriebseinheiten dar. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst hergeleitet, welche charakteristischen Eigenschaften pneumatische Drehantriebe für den Einsatz in kollaborativen Knickarmrobotern haben sollten (servopneumatisch positionierbar, nachgiebig, endlos drehbar). Nach einem Überblick zum Stand der Technik werden drei mechanische Antriebskonzepte vorgestellt, in denen jeweils ein mechanisches Funktionsprinzip mit geeigneten Aktoren kombiniert wird. Im ersten Antriebskonzept werden pneumatische Faltenbälge in Kombination mit dem mechanischen Funktionsprinzip einer Schubkurbel bzw. Kurbelwelle eingesetzt. Das zweite Antriebskonzept nutzt eine Taumelscheibe, um die Zugkraft pneumatischer Muskeln zu wandeln und eine endlose Drehung der Welle zu bewirken. Neu entwickelte Aktoren aus Feuerwehrschlauch - die sogenannten Fire-Hose-Actuators - kommen im dritten Antriebskonzept zum Einsatz. Die Aktoren üben darin eine Druckkraft auf den exzentrischen Teil der Antriebswelle aus. Es wird erneut das Funktionsprinzip einer Schubkurbel genutzt. In der Modellbildung wird ein allgemeines, parametrierbares Modell für den Länge-Druck-Kraft-Zusammenhang der Aktoren präsentiert und für alle Drehantriebe ein Modell des statischen Drehmoments hergeleitet. Darüber hinaus wird eine Theorie entwickelt, die für endlos drehbare Antriebe bereits in der Entwurfsphase eine grobe Abschätzung des maximal kontinuierlich verfügbaren Drehmoments anhand weniger Eingangsparameter liefert. In der Evaluation wird die statische Drehmomentverteilung aller Drehantriebe gemessen. Alle Drehantriebe sind endlos drehbar und verfügen über eine einstellbare Steifigkeit. Das maximal kontinuierlich verfügbare Drehmoment der Antriebe kann mit 4,3 Nm, 17,6 Nm und 63,1 Nm angegeben werden. Eine servopneumatische Positionierung ist mit allen Drehantrieben möglich.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 Identifikation und Klassifikation von Druckluft-Leckagen mit Methoden des maschinellen Lernens in Maschinen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Dierolf, Christian; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)In der Industrie wird Druckluft vielseitig eingesetzt. Als teure Energieform steigt zunehmend die Relevanz, denn noch heute existieren Druckluft-Leckageraten von 15 % bis 50 % und verursachen hohe Kosten. Es sind viele Produkte und Methoden zur Leckage-Erkennung in Druckluftnetzen bekannt und etabliert. Für Maschinen sind diese jedoch nur teilweise marktreif. Es ist also nicht möglich, automatisiert mit wenig Messtechnik sowie geringem Implementierungsaufwand Leckagen zu lokalisieren. Die Unterscheidung von Leckage-Ursachen war bislang Aufgabe von Fachkräften. Sie erfolgte bei wiederkehrenden Inspektionen der druckluftbetriebenen Maschine. Im Fokus der Arbeit steht, wie automatisiert in einem Druckluftsystem in Maschinen Pneumatikaktoren detektiert und Ursachen von Druckluft-Leckagen klassifiziert werden können. Durch die zentrale Druck- und Durchflussmessungen am Maschinenanschlusspunkt bleibt der Messaufwand gering. Die Arbeit beschreibt ein methodisches Vorgehen in fünf Schritten, das mit einem maschinell erlernten, datenbasierten Modell endet. Beginnend mit der Detektion des Beginns einer Aktoraktion werden Merkmale erstellt, hinsichtlich ihrer Relevanz ausgewählt und im nächsten Schritt damit Klassifikatoren erzeugt. Das Modell ist die Verknüpfung von Detektor und Klassifikator. Das Modell klassifiziert Aktorarten, -dimensionierungen und -aktionen, die häufig in der Industrie eingesetzt werden sowie hierbei auftretende Ursachen von Leckagen. Unter Berücksichtigung der 37 möglichen Klassen, konnten die Leckagen in einer druckluftbetriebenen Maschine anhand von vier Anwendungsszenarien kontinuierlich und automatisiert lokalisiert sowie die Ursachen mit guten Ergebnissen unterschieden werden. Diese Eigenschaften machen die Lösung gegenüber dem aktuellen Stand der Technik und Wissenschaft einzigartig. Bislang wirtschaftlich nicht vertretbare jedoch technisch mögliche Einsparpotenziale sind jetzt durch diese Leckage-Erkennung für druckluftbetriebene Maschinen nutzbar.Item Open Access Investigation of possible effects of wearing exoskeletons during welding on heart rate(2022) Schalk, Marco; Schalk, Ines; Bauernhansl, Thomas; Siegert, Jörg; Schneider, UrsThis study aims to investigate the possible effects of wearing exoskeletons during welding on heart rate. Additionally, the validity of a measuring instrument for determining acute heart rate is to be assessed. N = 15 young healthy subjects with welding experience took part in the study. The study design defines a one-hour workflow that abstracts welding and grinding tasks. The sequence is based on the internationally recognized standard DIN EN ISO 9606-1 and reproduces authentic work sequences in constrained body positions. Each subject completed the workflow once with and once without an exoskeleton. Recorded measures were the heart rates measured by a wrist-worn smartwatch and by Impedance Cardiography (ICG). The average heart rate shows no statistically significant differences in the measurement series with and without exoskeletons. The temporal variation of the heart rate shows a statistically significant influence of wearing exoskeletons and provides a moderate to strong effect, corresponding to a Cohens d of d = 0.78. Only 28.57% of all data series obtained with a smartwatch were equivalent to ICG-data after analysis with t-test, Pearson’s correlation, and orthogonal regression. Using averaged heart rates to assess exoskeleton effects is not a suitable measure. A trend analysis using linear regression shows moderate to strong statistically significant effects in the time course of heart rates and provides an approach to evaluate exoskeleton-induced effects.Item Open Access Modell zur Analyse und Gestaltung von Business-Ökosystemen für die Entwicklung von Produkt-Service Systemen im Maschinen- und Anlagenbau(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Humbeck, Philipp; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Simulation and control of a constrained-based walking mechanism(2022) Eckstein, SimonItem Open Access Design of fiber-composite/metal-hybrid structures made by multi-stage coreless filament winding(2022) Mindermann, Pascal; Müllner, Ralf; Dieringer, Erik; Ocker, Christof; Klink, René; Merkel, Markus; Gresser, Götz T.The methods presented in this study assist in fabricating load-bearing structures with high mass-specific mechanical performance at various scales. Possible applications include primary and secondary structures in engineering, architecture, automotive, or aerospace industries.Additive manufacturing processes, such as coreless filament winding with fiber composites or laser powder bed fusion with metals, can produce lightweight structures while exhibiting process-specific characteristics. Those features must be accounted for to successfully combine multiple processes and materials. This hybrid approach can merge the different benefits to realize mass savings in load-bearing structures with high mass-specific stiffnesses, strict geometrical tolerances, and machinability. In this study, a digital tool for coreless filament winding was developed to support all project phases by natively capturing the process-specific characteristics. As a demonstration, an aluminum base plate was stiffened by a coreless wound fiber-composite structure, which was attached by additively manufactured metallic winding pins. The geometrical deviations and surface roughness of the pins were investigated to describe the interface. The concept of multi-stage winding was introduced to reduce fiber–fiber interaction. The demonstration example exhibited an increase in mass-specific component stiffness by a factor of 2.5 with only 1/5 of the mass of a state-of-the-art reference. The hybrid design approach holds great potential to increase performance if process-specific features, interfaces, material interaction, and processes interdependencies are aligned during the digitized design phase.Item Open Access Model-based biomechanical exoskeleton concept optimization for a representative lifting task in logistics(2022) Schiebl, Jonas; Tröster, Mark; Idoudi, Wiem; Gneiting, Elena; Spies, Leon; Maufroy, Christophe; Schneider, Urs; Bauernhansl, ThomasOccupational exoskeletons are a promising solution to prevent work-related musculoskeletal disorders (WMSDs). However, there are no established systems that support heavy lifting to shoulder height. Thus, this work presents a model-based analysis of heavy lifting activities and subsequent exoskeleton concept optimization. Six motion sequences were captured in the laboratory for three subjects and analyzed in multibody simulations with respect to muscle activities (MAs) and joint forces (JFs). The most strenuous sequence was selected and utilized in further simulations of a human model connected to 32 exoskeleton concept variants. Six simulated concepts were compared concerning occurring JFs and MAs as well as interaction loads in the exoskeleton arm interfaces. Symmetric uplifting of a 21 kg box from hip to shoulder height was identified as the most strenuous motion sequence with highly loaded arms, shoulders, and back. Six concept variants reduced mean JFs (spine: >70%, glenohumeral joint: >69%) and MAs (back: >63%, shoulder: >59% in five concepts). Parasitic loads in the arm bracing varied strongly among variants. An exoskeleton design was identified that effectively supports heavy lifting, combining high musculoskeletal relief and low parasitic loads. The applied workflow can help developers in the optimization of exoskeletons.