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Start date: 2020Institute: search.filters.UBSInstitut.Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)

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    Analytic free-energy expression for the 2D-Ising model and perspectives for battery modeling
    (2023) Markthaler, Daniel; Birke, Kai Peter
    Although 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.
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    Anti-adhesive surfaces inspired by bee mandible surfaces
    (2023) Saccardi, Leonie; Schiebl, Jonas; Balluff, Franz; Christ, Ulrich; Gorb, Stanislav N.; Kovalev, Alexander; Schwarz, Oliver
    Propolis, 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.
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    Techno-ökonomische Auslegung von Stromspeichern für Fabriken
    (Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Zimmermann, Fabian; Sauer, Alexander (Prof. Dr.-Ing.)
    Für Industrieunternehmen gewinnt der Einsatz von Stromspeichern zunehmend an Bedeutung, da die Kosten für eine sichere und qualitativ hochwertige Energieversorgung kontinuierlich steigen. Insbesondere durch die volatile Erzeugung erneuerbarer Energien und daraus resultierenden schwankenden Strompreisen ergibt sich ein wirtschaftliches Potenzial für die Integration von Stromspeichern. Die vorliegende Arbeit beantwortet aus diesem Grund die Frage, wie Stromspeicher für Fabriken techno-ökonomisch ausgelegt werden können. Ziel ist es, einen Stromspeicher sowohl für die Einsatzoption Netzentgeltreduktion durch Spitzenlastreduktion und atypische Netznutzung als auch für multifunktionale Einsatzoptionen auszulegen und über die Lebensdauer ökonomisch zu bewerten. Durch die multifunktionalen Einsatzoptionen werden mehrere Einsatzoptionen mit einem Stromspeicher bedient, um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. In dieser Arbeit werden die Einsatzoptionen Netzentgeltreduktion, Eigenverbrauchsoptimierung und Arbitrage-Handel in unterschiedlichen Möglichkeiten kombiniert. Hierzu werden die Stromspeichertechnologien Blei-Batterie, Natrium-Batterie, Lithium-Batterie und Redox-Flow-Batterie untersucht. Der Fokus der Arbeit liegt auf dem elektrischen Energieversorgungssystem der Fabrik inklusive erneuerbarer Energien. Die Ergebnisse zeigen jeweils eine Konfiguration für die Blei-Batterie, die Natrium-Batterie, die Lithium-Batterie und die Redox-Flow-Batterie sowie einen Fahrplan des jeweiligen Stromspeichers. Im Rahmen von zwei untersuchten Fallbeispielen aus der Praxis konnte für beide jeweils ein wirtschaftlicher Stromspeicher ausgelegt werden. Es zeigte sich, dass die Investition in einen Stromspeicher zur Netzentgeltreduktion für Unternehmen wirtschaftlich sein und die Energiekosten langfristig und dauerhaft reduziert werden können.
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    A performance and cost overview of selected solid-state electrolytes : race between polymer electrolytes and inorganic sulfide electrolytes
    (2021) Karabelli, Duygu; Birke, Kai Peter; Weeber, Max
    Electrolytes are key components in electrochemical storage systems, which provide an ion-transport mechanism between the cathode and anode of a cell. As battery technologies are in continuous development, there has been growing demand for more efficient, reliable and environmentally friendly materials. Solid-state lithium ion batteries (SSLIBs) are considered as next-generation energy storage systems and solid electrolytes (SEs) are the key components for these systems. Compared to liquid electrolytes, SEs are thermally stable (safer), less toxic and provide a more compact (lighter) battery design. However, the main issue is the ionic conductivity, especially at low temperatures. So far, there are two popular types of SEs: (1) inorganic solid electrolytes (InSEs) and (2) polymer electrolytes (PEs). Among InSEs, sulfide-based SEs are providing very high ionic conductivities (up to 10−2 S/cm) and they can easily compete with liquid electrolytes (LEs). On the other hand, they are much more expensive than LEs. PEs can be produced at less cost than InSEs but their conductivities are still not sufficient for higher performances. This paper reviews the most efficient SEs and compares them in terms of their performances and costs. The challenges associated with the current state-of-the-art electrolytes and their cost-reduction potentials are described.
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    Reglersynthese für aufgabenraumgesteuerte Industrieroboter
    (Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Halt, Lorenz; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
    Die Motivation der vorliegenden Dissertation ist es, ein performantes sowie roboter- und kinematikneutrales Steuerungsrahmenwerk für roboterbasierte Montage zu schaffen. Dieses Rahmenwerk soll einfach zu programmieren sein und die Möglichkeit aufweisen, Programme zwischen Robotern zu übertragen. Hierfür wurde eine skillbasierte Programmierung mit dem iTaSC Formalismus kombiniert. Darauf aufbauend wurden als Hauptteil dieser Arbeit Reglerstrukturen entwickelt, die sich ohne Zutun des Programmierers eigenständig parametrisieren und sich somit automatisch an den eingesetzten Roboteraufbau anpassen. Für kontaktfreie Bewegungen des Roboters wurde ein modellbasierter Regelungsansatz ausgewählt. Zunächst wird ein lineares Modell angenähert und zur automatischen Synthese einer dynamischen Ausgangsrückführung eingesetzt. Das Verfahren ermöglicht nahezu zeitoptimales Verhalten unter Berücksichtigung von Stellgrößenbegrenzungen. Für die Kontakt- und Kraftregelung wurde ein modellfreier Ansatz verfolgt. Hierbei wird die Reglerverstärkung basierend auf den aktuellen Regelungsfehler so adaptiert, dass sich ein Regelfehlerverlauf innerhalb vorgegebener Performanzgrenzen ergibt. Die Regelungsansätze wurden einzeln in Simulationen verifiziert, in das iTaSC basierte Rahmenwerk eingefügt und jeweils mit verschiedenen Szenarien und Robotern experimentell erprobt. Es ergeben sich sowohl neue Einblicke in die Verhalten der einzelnen Technologien, als auch in das Zusammenspiel der Komponenten des dargestellten Steuerungsrahmenwerks. Beide Regelungsansätze ermöglichen hohe Regelgüte und große Übertragbarkeit für komplexe Roboterbewegungen bei Montageaufgaben. Die Ansätze benötigen keine manuellen Anpassungen und ermöglichen so die Programmierung durch Prozessexperten ohne tiefere Kenntnisse der Regelungstechnik.
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    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.
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    Influence of exoskeleton use on Cardiac Index
    (2022) Schalk, Marco; Schalk, Ines; Bauernhansl, Thomas; Siegert, Jörg; Schneider, Urs
    This study aims to assess the whole-body physiological effects of wearing an exoskeleton during a one-hour standardized work task, utilizing the Cardiac Index (CI) as the target parameter. N = 42 young and healthy subjects with welding experience took part in the study. The standardized and abstracted one-hour workflow consists of simulated welding and grinding in constrained body positions and was completed twice by each subject, with and without an exoskeleton, in a randomized order. The CI was measured by Impedance Cardiography (ICG), an approved medical method. The difference between the averaged baseline measurement and the averaged last 10 min was computed for the conditions with and without an exoskeleton for each subject to result in ∆CIwithout exo and ∆CIwith exo. A significant difference between the conditions with and without an exoskeleton was found, with the reduction in CI when wearing an exoskeleton amounting to 10.51%. This result corresponds to that of previous studies that analyzed whole-body physiological load by means of spiroergometry. These results suggest a strong positive influence of exoskeletons on CI and, therefore, physiological load. At the same time, they also support the hypothesis that ICG is a suitable measurement instrument to assess these effects.
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    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.)
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    Autonome Entscheidungsfindung in der Produktionssteuerung komplexer Werkstattfertigungen
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Waschneck, Bernd; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
    Die Variabilität in der kundenindividuellen Massenproduktion stellt eine enorme Herausforderung für die industrielle Fertigung dar. Die komplexe Werkstattfertigung als Produktionsprinzip eignet sich aufgrund der inhärenten Flexibilität besonders für die kundenindividuelle Massenproduktion. Allerdings sind die bestehenden Methodiken für die Produktionssteuerung einer Werkstattfertigung für die Einmal- oder Wiederholproduktion ausgelegt, was zu Defiziten in der Massenproduktion führt. Entweder ist die globale Qualität der Ergebnisse suboptimal oder die notwendige Echtzeitfähigkeit in der Entscheidungsfindung kann nicht bereitgestellt werden. Zudem entsteht durch Veränderungen und Anpassungen der Produktionssteuerung einer komplexen Werkstattfertigung ein hoher manueller Aufwand. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik für eine dezentrale, selbstorganisierte und autonome Produktionssteuerung für eine Werkstattfertigung entwickelt, die dazu beiträgt, mit der zunehmenden Komplexität und dem Produktionsvolumen umzugehen. Dabei wird die Produktion als Reinforcement-Learning-Modell formalisiert, das die Grundlage für das autonome Lernen einer Strategie zur Optimierung der Abarbeitungsreihenfolge bildet. Mehrere kooperative Deep-Q-Network-Agenten werden in diesem Modell darauf trainiert, eine Strategie zu finden, die eine gegebene Bewertungsfunktion - meist ein Key Performance Indicator aus der Produktion - maximiert. Die Neuronalen Netze, in denen die erlernte Entscheidungslogik der Deep-Q-Network-Agenten abgebildet ist, werden nach der Trainingsphase in die Produktion übertragen. Der Multi-Agenten-Ansatz trägt dazu bei, dass der Lernvorgang beschleunigt wird und im produktiven Einsatz durch die Dezentralität Entscheidungen schneller bestimmt werden können. Die Erprobung der Methodik in zwei praxisnahen Fallbeispielen aus der Halbleiterindustrie zeigt ihre Leistungsfähigkeit. In beiden Fallbeispielen konnten Strategien zur Optimierung der Abarbeitungsreihenfolge auf oder über Expertenniveau autonom erlernt werden. Konkret konnte dadurch im zweiten Fallbeispiel der Anteil verspäteter Aufträge in einer Technologieklasse von 17, 0 % auf 1, 3 % reduziert werden. Abgerundet wird die Arbeit durch eine Einordnung in das soziotechnische System „Fabrik“, in der die Umsetzung der Reihenfolgeentscheidungen durch die Werker betrachtet wird. Dabei wird offensichtlich, dass die Optimierung der Produktionssteuerung ganzheitlich unter Einbeziehung der Werker in einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess erfolgen muss.
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    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, Alexander
    Sustainable 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.