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Item Open Access A process-planning framework for sustainable manufacturing(2021) Reiff, Colin; Buser, Matthias; Betten, Thomas; Onuseit, Volkher; Hoßfeld, Max; Wehner, Daniel; Riedel, OliverProcess planning in manufacturing today focuses on optimizing the conflicting targets of cost, quality, and time. Due to increasing social awareness and subsequent governmental regulation, environmental impact becomes a fourth major aspect. Eventually, sustainability in manufacturing ensures future competitiveness. In this paper, a framework for the planning of sustainable manufacturing is proposed. It is based on the abstraction and generalization of manufacturing resources and part descriptions, which are matched and ranked using a multi-criteria decision analysis method. Manufacturing resources provide values for cost, quality, time and environmental impacts, which multiply with their usage within a manufacturing task for a specific part. The framework is validated with a detailed modeling of a laser machine as a resource revealing benefits and optimization potential of the underlying data model. Finally, the framework is applied to a use case of a flange part with two different manufacturing strategies, i.e., laser metal-wire deposition and conventional milling. The most influential parameters regarding the environmental impacts are the raw material input, the manufacturing energy consumption and the machine production itself. In general, the framework enabled the identification of non-predetermined manufacturing possibilities and the comprehensive comparison of production resources.Item Open Access Development of a novel method and apparatus for analysis of die dynamics of an isothermal thermoset pultrusion process(2021) Selvarayan, Sathis Kumar; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)Pultrusion is a continuous process to manufacture constant cross-sectional fibre reinforced composite profiles. The profiles take their shape as the continuously moving fibre-matrix combination consolidates inside the cavity of a pultrusion die. The temperature-induced viscosity and volumetric changes of the fibre-matrix during the consolidation as well as the friction between the die wall and the moving fibre-matrix generates shear and normal forces that act on the die wall - phenomena known as “die dynamics”. Quantification and analysis of the die dynamics are crucial to understand and control the pultrusion process. However, state-of-the-art methods available to characterise the pultrusion process have limited capability to record the forces that act on the die wall at each position along the length of the pultrusion die. Further, the on-line measurement techniques demand full-scale pultrusion line which, in general, are resource intensive. In addition, the available methodologies have not considered the impact of process additives on the die dynamics. This research work, therefore, focuses on developing a resource-efficient offline testing method to characterise the die dynamics of a thermoset pultrusion process and to pre-determine the required process parameters for a given fibre-matrix combination. In the newly developed approach, called rotating core method, pre-impregnated rovings wound on a solid core with defined fibre volume fraction rotates about the axis of the core inside a hollow cylindrical heated die. The rotational velocity of the rotating core is set to be identical to the line speed of the pultrusion process. The rotating fibre-matrix undergo temperature-induced polymerisation leading to the transformation of the fibre-matrix into a solid composite within the cylindrical die. This mimic the dominant phenomena that occur inside a pultrusion die in the pultrusion process. An apparatus developed within the scope of this work, the Die Dynamics Simulator (DDS), for the first time allows to continuously measure the torque exerted by the rotating fibre-matrix on the DDS die during the polymerisation process. The measured torque represents the resistive forces that arise within the die during the consolidation of the fibre-matrix combination. Evaluation of the curing kinetics and rheology of the resin formulations facilitates the characterisation of their polymerisation behaviour enabling identification of the components of the resistive forces. Further, this work investigates the influence of the following parameters on die dynamics using the developed apparatus: (1) die temperature, (2) velocity of the fibre-matrix, (3) contact area of the die and the fibre-matrix, (4) part thickness, (5) fibre volume fraction, and (6) process additive - internal mould release (IMR). Subsequently, the developed methodology is validated against the pultrusion process using a lab-scale pultrusion line. The results show the dependency of the resistive forces on the individual and the interactions between multiple parameters. More importantly, the experiments conducted with varying concentrations of IMR permitted to evaluate the implication of the mould release on the evolving resistive forces within the die. The results further provide insight at which phase of the polymerising matrix is the IMR most effective. Comparison of the measured forces on the DDS and from that measured on the pultrusion line show good fit for higher fibre volume fractions of the consolidated composite.Item Open Access Merging spacecraft software development and system tests : an agile verification approach(2021) Bucher, Nico; Eickhoff, Jens (Prof. Dr.-Ing.)In this dissertation, the author describes an agile verification approach for spacecraft onboard software that allows for software development guided by system tests performed with the actual spacecraft. The approach was applied for the Flying Laptop small satellite, built and operated by the Institute of Space System (IRS) at the University of Stuttgart, Germany. This work contains examples of practical experience gathered during the system testing campaign of Flying Laptop.Item Open Access New methods for 3D reconstructions using high resolution satellite data(2021) Gong, Ke; Fritsch, Dieter (Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c.)Item Open Access Uncertainty quantification in the simulation of turbulent spray combustion(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Enderle, Benedict; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Um risikobehaftete Entscheidungen in der simulationsbasierten Entwicklung von Flugzeugkomponenten treffen zu können, müssen Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen systematisch mitberücksichtigt werden. Dies betrifft insbesondere Entscheidungen mit weitreichenden Konsequenzen hinsichtlich finanzieller Risiken, Sicherheit im Betrieb sowie letztlich Menschenleben. Eine Anwendung der simulationsbasierten Entwicklung, der eine Vielzahl an Unsicherheiten mit komplexen Simulationsmodellen und einer großen Auswirkung auf die Systemleistung- und Sicherheit kombiniert, ist die Simulation von Verbrennungsprozessen in Triebwerksbrennkammern. Da die Qualität des Brennstoffsprays den Verbrennungsprozess signifikant beeinflusst, sind Unsicherheiten in den Randbedingungen für das Brennstoffspray eine Hauptquelle für Unsicherheiten in solchen Simulationen. Aufgrund des hohen Rechenzeitaufwands für deren Quantifizierung werden diese Unsicherheiten momentan noch nicht mit in die Simulation einbezogen. Auch wenn die Notwendigkeit der Quantifizierung von Unsicherheiten in Verbrennungssimulationen bereits identifiziert wurde, lassen sich nur wenige Anwendungsbeispiele in der Literatur finden. Ziel dieser Arbeit ist daher, aktuelle Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten auf Simulationsprobleme aus dem Bereich der turbulente Sprayverbrennung anzuwenden. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Quantifizierung von Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen aufgrund von unvollständigem Wissen bei der Konstruktion der Sprayrandbedingungen. Mögliche Unsicherheiten in den Eingangs- und Ausgangsgrößen werden mittels Wahrscheinlichkeitstheorie charakterisiert. Die Ausbreitung der Unsicherheiten durch die komplexen Simulationsprobleme werden mit einem effizienten, nichtintrusiven Workflow analysiert, welcher auf Surrogatmodellen aufbaut. Durch den Einsatz von Surrogatmodellen wird das komplexe Simulationsmodell in einem eingeschränkten Parameterbereich mittels eines Modells reduzierter Komplexität approximiert. Dieses Verfahren reduziert den Rechenaufwand drastisch, insbesondere bei einer hohen Anzahl an unsicheren Eingangsgrößen. Die Methodik wird auf zwei Testfälle mit unterschiedlicher Komplexität angewandt. Zuerst wird eine Ethanolsprayflamme im Labormaßstab betrachtet, für die umfangreiche experimentelle Daten vorliegen. Der einfache Aufbau des Experiments sowie die Möglichkeit, diese Flamme mit stationären Simulationen bereits gut abbilden zu können ermöglicht eine detaillierte Analyse des Testfalls sowie der verwendeten Methodik. In einer Screening-Studie werden die unsicheren Parameter der Simulation priorisiert, woraus sich eine Reduktion auf die einflussreichsten Parameter ergibt. Anhand des Testfalls werden zwei unterschiedliche Surrogatmodelle verglichen und analysiert. Durch die Berechnung der Wahrscheinlichkeitsgrenzen für die Temperaturprofile können umfangreiche Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen im Bereich der Reaktionszone identifiziert werden. Mittels einer anschließenden Sensitivitätsanalyse kann der Hauptteil dieser Unsicherheiten auf Unsicherheiten hinsichtlich des Öffnungswinkels der Spraykegels zurückgeführt werden. Um die Methodik zur Quantifizierung von Unsicherheiten auch in einer technisch relevanten Problemstellung zu bewerten, wird anschließend ein drallstabilisierter Spraybrenner betrachtet, der einige der wesentlichen Eigenschaften moderner Triebwerksbrennkammern aufweist. Um kostspielige Experimente zur Charakterisierung der Sprayrandbedingung zu vermeiden, wird ein algebraisches Primärzerfallsmodell zur Berechnung der Sprayrandbedingung verwendet. Die daraus resultierende Datenlücke wird mittels Wahrscheinlichkeitstheorie als Unsicherheit charakterisiert. Aufgrund ihrer besonderen Bedeutung im Entwurfsprozess von Brennkammern werden die Flammenposition und die Temperaturverteilung als Hauptindikatoren betrachtet. Die systematische Quantifizierung der Unsicherheiten zeigt moderate Unsicherheiten der Simulation hinsichtlich der Flammenposition und Temperaturverteilung. Anhand von Genauigkeitsmetriken wird schließlich die Vorhersagefähigkeit der Simulation unter den gegebenen Unsicherheiten abgeschätzt. Beide Testfälle zeigen erfolgreich das Potential von Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten in der Simulation turbulenter Sprayverbrennung. Aus dem ersten Testfall kann gefolgert werden, dass die Identifizierung und umfassende Charakterisierung möglicher Quellen von Unsicherheiten in den Entwurf von Validierungsexperimenten eingeschlossen werden sollten. Der zweite Testfall zeigt deutlich den Mehrwert der systematischen Quantifizierung von Unsicherheiten auf, wenn nur begrenztes Wissen hinsichtlich der Sprayrandbedingungen vorhanden ist. Da diese Wissenslücke klar in den Simulationsergebnissen wiedergespiegelt wird, können aus dem Vergleich mit den geforderten Leistungsparametern Risiken quantitativ identifiziert werden. Mit dieser zusätzlichen Information kann die simulationsbasierte Entscheidungsfindung im Entwicklungsprozess systematisch unterstützt und schließlich ausgeweitet werden, beispielsweise auf die virtuelle Zertifizierung von Flugzeugkomponenten.Item Open Access Technologieakzeptanz von virtuellen Lern- und Arbeitsumgebungen(2021) Pletz, Carolin; Zinn, Bernd (Prof. Dr.)Mit dem Einsatz innovativer Technologien in Lern- und Arbeitsprozessen werden vor dem Hintergrund der Digitalisierung und Industrie 4.0 multiple Potenziale verbunden. Insbesondere immersive virtuelle Lern- und Arbeitsumgebungen (Virtual Reality, kurz IVR) bieten vielversprechende Möglichkeiten, um das Lernen und Arbeiten gewinnbringend zu unterstützen. Unter IVR werden computergenerierte Darstellungen verstanden, welche dreidimensional und interaktiv sind. Die Nutzenden können über natürliche Benutzerschnittstellen regelrecht in die virtuelle Umgebung „eintauchen“. Der in der Arbeit bilanzierte Forschungsstand zeigt, dass zu Beginn der Forschungsbemühungen allerdings nur wenig über die Technologieakzeptanz von IVR und den entsprechenden fördernden und hemmenden Faktoren bekannt ist. Unter der Technologieakzeptanz wird die „positive Annahmeentscheidung einer Innovation durch die [Anwenderinnen und] Anwender“ (Simon, 2001, S. 89) verstanden. In Anbetracht dieser Forschungslücke besteht das zentrale Forschungsvorhaben der vorliegenden Arbeit deshalb in der Generierung eines Beschreibungs- und Erklärungswissens zur Technologieakzeptanz von IVR bei (potenziellen) Nutzerinnen und Nutzern. Ein theoretischer Rahmen zur Digitalisierung der Arbeitswelt, zu Virtual Reality Technologien und zur Technologieakzeptanz sowie eine Übersicht über den entsprechenden empirischen Forschungsstand führen in die Thematik ein. Die Arbeit umfasst vier empirische Studien zur Untersuchung der Technologieakzeptanz von IVR. In der ersten Studie werden die theoretischen Annahmen des Technology Acceptance Models (TAM) in Bezug auf die Technologieakzeptanz von IVR empirisch geprüft. Das TAM geht davon aus, dass die Nutzungsintention von Informationstechnologien hauptsächlich von der wahrgenommenen Nützlichkeit und Benutzerfreundlichkeit beeinflusst wird. Studie 1 untersucht in diesem Zusammenhang die Technologieakzeptanz und die nutzerbezogenen Faktoren Alter und Vorerfahrung mit der Technologie im Rahmen einer quantitativen Fragebogenerhebung mit (potenziellen) Nutzerinnen und Nutzern von IVR. Die zweite Studie fokussiert die Technologieakzeptanz eines virtuellen Verkaufsraums und bezieht neben den Kernfaktoren des TAM die soziale Norm, wahrgenommene Verhaltenskontrolle sowie die organisationsbezogenen Faktoren Unterstützung durch die Führung, Anwendertraining und Anwendersupport in die Betrachtung ein. Die Datenerhebung erfolgt ebenfalls mittels eines quantitativen Fragebogens. In der dritten Studie wird eine virtuelle Lernanwendung für Bedienerschulungen formativ im Hinblick auf die Technologieakzeptanz, User Experience und den Lerntransfer von virtuell gelerntem Handlungswissen auf reale Tätigkeiten mittels einer qualitativen Videoanalyse evaluiert. Die vierte Studie zielt auf die Identifikation von weiteren nutzerbezogenen, organisationsbezogenen und insbesondere technologiespezifischen fördernden und hemmenden Faktoren im Rahmen einer qualitativen Interviewstudie mit Experten ab. Die Ergebnisse zeigen, dass das TAM auch als geeignete Grundlage zur Untersuchung der Technologieakzeptanz von IVR herangezogen werden kann und die wahrgenommene Nützlichkeit sowie Benutzerfreundlichkeit einen Einfluss auf die Nutzungsintention haben (Studie 1). Ebenso beeinflusst die wahrgenommene Verhaltenskontrolle die Nutzungsintention und die organisationalen Faktoren hängen positiv mit den TAM-Faktoren zusammen (Studie 2). Es wird verdeutlicht, dass mit der Untersuchung innovativer Technologien auch neuartige methodische Zugänge in Forschungsbemühungen einhergehen müssen (Studie 3). Weitere nutzerbezogene, organisationsbezogene und technologiespezifische Einflussfaktoren auf die Technologieakzeptanz werden für den Einsatz von IVR in Lehr-Lernkontexten identifiziert (Studie 4). Zusammenfassend lassen sich auf der Basis der eigenen Forschungsergebnisse und unter Berücksichtigung der Limitationen praxisrelevante Ansatzpunkte zur Steigerung der Technologieakzeptanz von IVR ableiten.Item Open Access A contribution to multipath modeling and simulation for kinematic trajectories(2021) Avram, Alexandra; Volker, Schwieger (Prof. Dr.-Ing. habil.)Over the last years, GNSS technology has been under continuous development and its applications as well. This progress is driven by the emergence of increasingly complex applications. One such trending application for GNSS technology is automated transportation, which expands the boundaries in terms of navigation safety. Since multipath is one of the most challenging errors which affect the position and integrity of a navigation system, research is required in this direction. The multipath topic is complex, since it is dependent on the satellite position in conjunction with the surroundings of the receiving antenna. Therefore, the multipath effects are different for a static user compared to a kinematic one. Environment properties may lead to one or many reflections, diffraction, or non-line-of-sight (NLOS) situations. The characterization of the errors due to multipath in the GNSS observations have been extensively studied since 1972. Nevertheless, most of the focus in this field of study has been towards static applications. This dissertation extends the current multipath research by simulation, characterization, and modeling of multipath errors for kinematic vehicles.Item Open Access Interfacial mechanics and liquid crystal structure of liquid gallium(2021) Yunusa, Muhammad; Sitti, Metin (Prof. Dr.)This dissertation aims to shed light on the fundamental aspects of supercooled liquid gallium. First, the mechanical properties of the oxide skin encapsulating the supercooled liquid gallium droplet is investigated. By leveraging the supercooling behavior of gallium and the formation of its oxide skin, we characterized the emergence of wrinkling at the interface and adhesion energy between the liquid gallium and rigid substrate. An interfacial energy of 0.238 ± 0.008 J m-2 was measured between gallium droplet and flat glass. Second, seed induced crystallization of supercooled liquid gallium on the different substrate materials revealed the dependence of the kinetics of crystallization on thermal behavior of the substrate. Such approach further elucidates on the importance of interface temperature during crystallization with a preferred orientation. The third part of the dissertation reports an unprecedented liquid crystal structure in supercooled liquid gallium. By the use of techniques applied in liquid crystal (LC) research, observation of LC texture in supercooled liquid gallium was realized. Reflective polarized optical microscopy (R-POM) on liquid gallium sandwiched between glasses treated with rubbed polymers reveals the onset of an anisotropic reflection of possible dimer molecules or clusters at 120°C that increases on cooling and persists down to room temperature or below. On the other hand, when gallium is sandwiched between substrates that align conventional liquid crystal molecules normal to the surface, the reflection is isotropic. This observation of LC structure of a highly electrically conductive supercooled liquid gallium provides an unexpected new field of materials science and liquid crystal research.Item Open Access Bending setups for reliability investigation of flexible electronics(2021) Saleh, Rafat; Barth, Maximilian; Eberhardt, Wolfgang; Zimmermann, AndréItem Open Access Analyse und Optimierung einer einstufigen Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpe(2021) Mirl, Nico; Spindler, Klaus (Apl. Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird eine Komponentenoptimierung der Desorber-Einheit sowie des Absorbers einer Absorptionswärmepumpe durchgeführt. Die Anforderungen an die Wärmepumpe umfassen sowohl eine hohe Effizienz als auch möglichst geringe Systemkosten, wobei letzteres durch ausschließliche Verwendung von Standardkomponenten, wie beispielsweise Plattenwärmeübertrager und einfach fertigbare Behälter, erzielt wird. Es wird ein allgemeingültiges Analyseverfahren für Absorptionswärmepumpen und -kälte-maschinen erarbeitet und angewandt. Mit diesem Verfahren ist sowohl eine Quantifizierung der Potenziale des Absorptions- und Desorptionsprozesses als auch eine Zuordnung dieser Potenziale zu Problemstellungen der Wärmeübertragung bzw. Stoffübertragung möglich. Für das Analyseverfahren ist eine exakte Wiedergabe der Zustandsgrößen von zentraler Bedeutung. Es wird aufgezeigt, dass die Zustandsgleichung aus (Tillner-Roth und Friend, 1998a) die experimentellen Daten im relevanten Temperaturbereich von −30 °C ≤ 𝜗 ≤ 200 °C und Druck-bereich von 𝑝 ≤ 30 bar am besten wiedergibt. Diese Zustandsgleichung wird daher für die Prozess-analyse verwendet. Zur Optimierung der Absorptionswärmepumpe werden zwei Desorber-Konzepte experimentell untersucht: ein Desorber nach dem Naturumlaufprinzip und ein zwangsdurchströmter Desorber. Die Messungen zeigen, dass mit dem zwangsdurchströmten Desorber die erreichte Entgasungsbreite von 0,044 ≤ Δ𝜉_E ≤ 0,078 auf 0,066 ≤ Δ𝜉_E ≤ 0,102 erhöht wird. Auch der Desorberwirkungsgrad von 0,851 ≤ 𝜂_ξ,Des ≤ 0,923 belegt die sehr gute Funktionalität dieses Desorber-Konzeptes. In einem separaten Versuchsstand wird die Verteilung der Flüssigkeit auf die Plattenspalte des Absorbers untersucht. Diese Versuche werden in dem Ersatzsystem Luft/Wasser mit einer optischen Methode durchgeführt und ausgewertet. Es wird aufgezeigt, dass die bisher verwendete Vollkegel-düse mit einem Sprühwinkel von 𝛽 = 90° in Verbindung mit einem Düsenabstand zum obersten Plattenspalt im Absorber von 𝑡 ≈ 0 mm die Flüssigkeit nicht gleichmäßig innerhalb des ersten Durchgangs verteilt. Durch die Verwendung einer Vollkegeldüse mit einem Sprühwinkel von 𝛽 = 120° und einem Düsenabstand von 𝑡 ≈ 6 mm erfolgt die Verteilung der Flüssigkeit auf die Plattenspalte weitestgehend gleichmäßig. Bei Verwendung dieser Düse wird im Betrieb der Absorptionswärmepumpe, mit Ausnahme eines Betriebspunktes, die höchste Wärmeübertragungs-fähigkeit des Absorbers 𝑘𝐴Abs erreicht. Insgesamt zeigen die Untersuchungen, dass der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und erprobte zwangsdurchströmte Desorber eine nahezu ideale Desorption ermöglicht. Darüber hinaus wird durch einen Kondensat-Abscheider sichergestellt, dass der Ammoniakmassenanteil des Kältemittels maximal ist. Sowohl die Entgasungsbreite Δ𝜉_E als auch das Wärmeverhältnis 𝜁 als Maß für die Effizienz der Absorptionswärmepumpe werden durch diese Maßnahmen erheblich gesteigert.
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