Universität Stuttgart
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Item Open Access On the forward-backward method with nonmonotone linesearch for infinite-dimensional nonsmooth nonconvex problems(2025) Azmi, Behzad; Bernreuther, MarcoThis paper provides a comprehensive study of the nonmonotone forward-backward splitting (FBS) method for solving a class of nonsmooth composite problems in Hilbert spaces. The objective function is the sum of a Fréchet differentiable (not necessarily convex) function and a proper lower semicontinuous convex (not necessarily smooth) function. These problems appear, for example, frequently in the context of optimal control of nonlinear partial differential equations (PDEs) with nonsmooth sparsity-promoting cost functionals. We discuss the convergence and complexity of FBS equipped with the nonmonotone linesearch under different conditions. In particular, R-linear convergence will be derived under quadratic growth-type conditions. We also investigate the applicability of the algorithm to problems governed by PDEs. Numerical experiments are also given that justify our theoretical findings.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 Konzeptuelles Referenzdatenmodell für das Compliance-Management des stoff- und produktbezogenen Umweltschutzes in Unternehmen der Elektrobranche(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Schneider, Ralph; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Unternehmen der Elektrobranche sehen sich auf internationalen Märkten und in ihren Wert-schöpfungsketten einer steigenden Zahl von Anforderungen gegenüber, die die Zusammensetzung ihrer Produkte durch stoffliche Restriktionen beeinflussen. Diese Anforderungen stammen vorwiegend aus regulatorischen Vorgaben, die dem Umweltschutz im Rahmen der Um-welt- und Stoffpolitik zuzuordnen sind. Die regulatorischen Anforderungen werden zudem durch Kundenanforderungen aufgegriffen und teilweise über das regulatorische Maß hinaus ergänzt. Die stoff-/produktbezogenen Anforderungen müssen erfüllt werden, um den Markt- und Kundenzugang zu erhalten. Um dies bewerkstelligen zu können, müssen die jeweils adressierten Unternehmen über ein solides Datenmanagement verfügen, das es ermöglicht, Auskunft über die Art und den Status der Betroffenheit zu geben, zu erreichende Zielwerte und den zugehörigen Ist-Status auf Produktebene zu erfassen und Verantwortlichkeiten für die stoffliche Zusammensetzung der Produkte und deren Bestandteile auszuwerten. Hierzu existieren zwar punktuelle Lösungen, aber die gesamtheitliche Sicht auf die zur Erfüllung der Anforderungen notwendigen Daten fehlt. Entsprechend dieser Problemstellung war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die erforderliche Datenbasis zu identifizieren, die von Unternehmen der Elektrobranche idealtypisch benötigt wird, um den Anforderungen nachkommen zu können. Dies wurde erreicht, indem aus einem Satz fundiert ausgewählter Regulierungen, relevanter Standards und Werkzeuge sowie unter Berücksichtigung unternehmensinterner prozessualer Abläufe die einzelnen Informationsanforderungen systematisch abgeleitet und anschließend bis auf Datenebene operationalisiert wurden. Die notwendigen Daten wurden in einem konzeptuellen Referenzdatenmodell konsolidiert und in einem Entity-Relationship-Diagramm visualisiert. Das Referenzdatenmodell umfasst insgesamt 16 verschiedene Datenbereiche, die auf dem Grundgerüst eines unternehmensinternen Compliance -Prozesses beruhen und als Teilmodelle aufgefasst werden können. In den Datenbereichen wurden 79 Datenentitäten definiert, die in Summe 375 Attribute beinhalten. Die Erreichung der Zielsetzungen der Arbeit sowie der Nutzen des Referenzdatenmodells konnten schließlich in Expertenbefragungen und einzelnen Anwendungsbeispielen bewertet und bestätigt werden.Item Open Access Process model and life cycle assessment of biorefinery concept using agricultural and industrial residues for biohydrogen production(2024) Gamero, Edgar; Ruppert, Sophia; Miehe, Robert; Sauer, AlexanderSustainable waste management strategies are urgently needed due to an increasing global population and increased waste production. In this context, biorefineries have recently emerged as a promising approach to valorize waste streams and supply a broad range of products. This study presents the process model and life cycle assessment (LCA) of a biorefinery concept using a novel biochemical method, a so-called “dark photosynthesis” conversion. This process is coupled to a photo-fermentation using microalgae. Overall, the biorefinery concept can produce hydrogen, lutein, β-carotene, and proteins for animal feed. Apple pomace from apple juice production is used as feedstock for the primary conversion step. A process model was created with the process simulation software Aspen Plus ® using experimental and literature data. Results from this model were then used in an LCA. The environmental impacts of the proposed biorefinery concept are relatively high, showing the need for process optimization in several areas. Energy system integration, stream recycling, and higher hydrogen yields are recognized as especially important for improving the environmental performance of this concept. Despite these findings, the model shows the feasibility of implementing the biochemical conversion technologies in a biorefinery concept for effectively utilizing residue streams.Item Open Access Methodik für numerische Lackiersimulationen : Bedeutung der Modell- und Eingangsparameter bei der Hochrotationszerstäubung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Güttler, Nico; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Lernende ereignisbasierte Optimierung der Produktionssteuerung für die komplexe Werkstattfertigung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Bauer, Dennis; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Für produzierende Unternehmen steht heute der Kundennutzen und damit auch die Liefertermineinhaltung im Fokus der unternehmerischen Aktivitäten. Parallel steigt die Komplexität des Umfelds und der Märkte sowie innerhalb des Unternehmens. Deshalb ist bei der Leistungserstellung in Wertschöpfungsnetzwerken ein systematischer Umgang mit unvorhergesehenen Ereignissen im Fokus. Eine besondere Herausforderung ist dies für komplexe Werkstattfertigungen mit ihrer immanenten statischen und dynamischen Komplexität. Die vorliegende Arbeit adressiert die Forschungsfrage, wie eine lernende, auf Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk basierte Optimierung der Produktionssteuerung für die komplexe Werkstattfertigung gestaltet werden kann. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Lösung optimiert die Liefertermineinhaltung bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk durch Korrekturmaßnahmen auf der Ebene der Produktionssteuerung in komplexen Werkstattfertigungen. Hierfür ist ein lernfähiges Entscheidungsmodell notwendig, das eine kontinuierliche Anpassung über die Zeit ermöglicht. Bislang bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk übliche manuelle Eingriffe in die Produktionssteuerung werden dadurch vermieden und die Resilienz des Produktionssystems gesteigert. Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind die Artefakte des Regelkreises, der Methode und der Architektur sowie der Implementierung als Softwareartefakt. Die Halbleiterfertigung ist die industriell wichtigste Anwendung der komplexen Werkstattfertigung. Hier zeigt sich, dass durch die lernende ereignisbasierte Optimierung der Produktionssteuerung die Liefertermineinhaltung bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk signifikant verbessert werden kann. Eine hohe Liefertermineinhaltung sorgt dabei für eine höhere Kundenzufriedenheit, der systematische Umgang mit Ereignissen sorgt für Resilienz. Beides ermöglicht perspektivisch einen Abbau von Sicherheitsbeständen im Wertschöpfungsnetzwerk.Item Open Access Untersuchung adhäsiver Fügeverfahren zur Herstellung hartmetallbestückter Verbundkreissägeblätter(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Stroka, Michael; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Einsatzfähigkeit der Klebtechnik für Verbundkreissägeblätter für die Bearbeitung von Holz(werk)- und Kunststoffen sowie Aluminium zu untersuchen. Durch den Einsatz des wärmearmen Klebens ergibt sich die Möglichkeit, neue Schneidstoffe oder bereits geschliffene und beschichtete Hartmetallzähne anzuwenden. Weiter wird das Stammblatt thermisch weniger beeinflusst, wodurch der Nacharbeitsaufwand reduziert werden kann. Anhand von experimentellen Sägeversuchen werden die mechanischen Anforderungen in Form der Schnittkräfte und damit die resultierende Beanspruchung in der Fügestelle ermittelt. Diese Randbedingungen werden bei der Auswahl möglicher Klebstoffe und Oberflächenbehandlungen berücksichtigt. Durch zerstörende Prüfung geklebter Proben werden die Einflüsse der Klebstoffe und Oberflächenbehandlungen auf die Festigkeit untersucht und geeignete Kombinationen abgeleitet. Die Entwicklung einer Automatisierungstechnik im Labormaßstab führt die Arbeit fort. Eine Betrachtung des technologischen und wirtschaftlichen Potenzials geklebter Ver-bundkreissägeblätter sowie die Erarbeitung eines Optimierungsansatzes zur Spannungsreduzierung in der Klebfuge mittels FE-Methoden schließen die Arbeit ab. Die Versuche haben gezeigt, dass mit Hilfe eines einkomponentigen Epoxidharzklebstoffs und Korund sowie lasergestrahlten Zähnen einsatzfähige Klebverbindungen realisiert werden können, welche sowohl dem Schleifen als auch einem Zerspanversuch standhalten. Durch die entwickelte Automationslösung kann eine hohe Reproduzierbarkeit der Klebfestigkeit erzielt werden. Die FE-Analysen zeigen, dass die Beanspruchung in der Klebung durch angepasste Geometrien der Zahnsitze reduziert werden können. Der Vergleich der Herstellkosten des Fügeprozesses für ein Werkzeug zeigen, dass ein hohes Potenzial für einen wirtschaftlichen Einsatz besteht, wenn die gesamte Prozesskette umgestaltet wird. Dies wird erst durch den Wechsel der Fügetechnologie von Löten auf Kleben ermöglicht.Item Open Access Perspectives of biogas plants as BECCS facilities : a comparative analysis of biomethane vs. biohydrogen production with carbon capture and storage or use (CCS/CCU)(2023) Full, Johannes; Hohmann, Silja; Ziehn, Sonja; Gamero, Edgar; Schließ, Tobias; Schmid, Hans-Peter; Miehe, Robert; Sauer, AlexanderThe transition to a carbon-neutral economy requires innovative solutions that reduce greenhouse gas emissions (GHG) and promote sustainable energy production. Additionally, carbon dioxide removal technologies are urgently needed. The production of biomethane or biohydrogen with carbon dioxide capture and storage are two promising BECCS approaches to achieve these goals. In this study, we compare the advantages and disadvantages of these two approaches regarding their technical, economic, and environmental performance. Our analysis shows that while both approaches have the potential to reduce GHG emissions and increase energy security, the hydrogen-production approach has several advantages, including up to five times higher carbon dioxide removal potential. However, the hydrogen bioenergy with carbon capture and storage (HyBECCS) approach also faces some challenges, such as higher capital costs, the need for additional infrastructure, and lower energy efficiency. Our results give valuable insights into the trade-offs between these two approaches. They can inform decision-makers regarding the most suitable method for reducing GHG emissions and provide renewable energy in different settings.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 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.