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This study reviews the practice of brake tests in freight railways, which is time consuming and not suitable to detect certain failure types. Public incident reports are analysed to derive a reasonable brake test hardware and communication architecture, which aims to provide automatic brake tests at lower cost than current solutions. The proposed solutions relies exclusively on brake pipe and brake cylinder pressure sensors, a brake release position switch as well as radio communication via standard protocols. The approach is embedded in the Wagon 4.0 concept, which is a holistic approach to a smart freight wagon. The reduction of manual processes yields a strong incentive due to high savings in manual
labour and increased productivity.
Chromatography is the workhorse of biopharmaceutical downstream processing because it can selectively enrich a target product while removing impurities from complex feed streams. This is achieved by exploiting differences in molecular properties, such as size, charge and hydrophobicity (alone or in different combinations). Accordingly, many parameters must be tested during process development in order to maximize product purity and recovery, including resin and ligand types, conductivity, pH, gradient profiles, and the sequence of separation operations. The number of possible experimental conditions quickly becomes unmanageable. Although the range of suitable conditions can be narrowed based on experience, the time and cost of the work remain high even when using high-throughput laboratory automation. In contrast, chromatography modeling using inexpensive, parallelized computer hardware can provide expert knowledge, predicting conditions that achieve high purity and efficient recovery. The prediction of suitable conditions in silico reduces the number of empirical tests required and provides in-depth process understanding, which is recommended by regulatory authorities. In this article, we discuss the benefits and specific challenges of chromatography modeling. We describe the experimental characterization of chromatography devices and settings prior to modeling, such as the determination of column porosity. We also consider the challenges that must be overcome when models are set up and calibrated, including the cross-validation and verification of data-driven and hybrid (combined data-driven and mechanistic) models. This review will therefore support researchers intending to establish a chromatography modeling workflow in their laboratory.
Die Oberflächen dentaler Implantate sind definiert durch eine raue Oberfläche, um die Integration in den menschlichen Knochen zu optimieren. Entzündungen des umgebenden Zahnfleisches zählen dabei zu den häufigsten Komplikationen nach einer Implantation. Diese Entzündungen entstehen hauptsächlich durch bakterielle Infektionen des Weichgewebes an der Implantations-Stelle. Die raue Oberfläche trägt jedoch zu einer solchen Infektion bei. Da der Implantat-Kopf zum Teil aus dem Knochen herausragt, erfolgt beispielsweise beim Zähneputzen eine Freilegung der Implantat-Oberfläche. Die durch die Rauheit vergrößerte Oberfläche bietet dabei ideale Voraussetzungen für eine Bakterienansiedlung. In der aktuellen Forschung steht die Entwicklung einer Oberfläche im Vordergrund, die eine antibakterielle Funktionalisierung erzeugt. Diese verhindert die Bakterienansiedlung und wirkt einer Entzündung entgegen. Um die Beschichtung vor Verschleiß zu schützen und ihre Lebensdauer der antibakteriellen Wirkung zu erhöhen, ist es möglich die Oberfläche mit einer
Mikrostruktur zu versehen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Identifikation geeigneter Mikrostrukturierungen, die der antibakteriellen Beschichtung einen optimalen Schutz vor Verschleiß bieten. Am Beispiel von Titan-Zahnimplantaten wird der Schutz der aufgetragenen Biohybridbeschichtung gegen abrasiven Verschleiß untersucht. Im Vorfeld wird eine Analyse der fertigungstechnischen Möglichkeiten mit Blick auf dentale Implantate und Mikrostrukturen durchgeführt, um das ein passendes Verfahren zu identifizieren. Die Analogiebauteile als Probenkörper werden, mithilfe des zuvor ausgewählten Verfahrens, mit verschiedenen Mikrostrukturen versehen. Im Rahmen einer Versuchsdurchführung, die die mechanische Belastung bei einem Zahnputzdurchgang imitiert, werden die verschiedenen Mikrostrukturen auf ihre Eignung für diese Anwendung überprüft. Ein Vorversuch dient zur Identifizierung eines geeigneten Ankerpeptids, welches den bindenden Bestandteil der Biohybridbeschichtung darstellt. Aus
drei zuvor ausgewählten Ankerpeptiden wird das mit der besten Adhäsionsfähigkeit herausgestellt. Im finalen Versuchsdurchlauf wird das Ankerpeptid auf die Oberflächen, die mit den Mikrostrukturen versehen sind, aufgetragen. Dabei ist das Ziel eine Mikrostruktur
herauszustellen, die den höchstmöglichen Schutz bietet.
Durch eine Fluoreszenzprüfung mithilfe eines Flourescence Plate Readers wird jede Kombination nach den Belastungsversuchen auf den Restanteil der Beschichtung überprüft.
Das Ergebnis stellt eine Mikrostruktur dar, die den bestmöglichen Schutz bietet. Dies ist erkennbar durch den höchsten Anteil an Restbeschichtung. Eine Strukturierung mit sogenannten Micro-Grooves in Kombination mit dem MacHis-Ankerpeptid erzielte in der Analyse der Belastungssimulationen die besten Ergebnisse bezüglich des Schutzes der Beschichtung. Durch die Versuche bestätigte sich eine weitere
Annahme. Die Strukturierung der Oberfläche erzielt einen deutlich höheren Schutz im Vergleich zu einer unstrukturierten Oberfläche. Zudem hat sich herausgestellt, dass eine Beschichtung mit dem sogenannten PEO-Verfahren eine deutlich größere Adhäsion der
Biohybridbeschichtung erzielt. Dies wird jedoch Thema weiterführender Forschungen sein und kein Bestandteil der vorliegenden Arbeit.
Bei Schienenfahrzeugen, die mit dem Zugsicherungssystem ETCS betrieben sind, wird die Odometrie durch eine diskrete Ortung mittels physischen Balisen zurückgesetzt.
Diese Arbeit befasst sich mit der Innovation von virtuellen Balisen. Virtuelle Balisen, können eingesetzt werden, um physische, im Gleisbett montierte Balisen zu ersetzen. Durch den Einsatz von virtuellen Balisen soll der Infrastrukturausbau von ETCS vorangetrieben werden, indem sie als virtuelle Komponente auf Schienenfahrzeugen eingesetzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Fragestellung beantwortet, ob eine bordautonome Zugortung mittels virtuellen Balisen in einem ausgewählten Szenario mit einem akzeptablen Risiko verbunden ist? Das Szenario besteht aus einem Schienenfahrzeug, welches mit dem Zugsicherungssystem ETCS Level 2 auf einer eingleisigen Nebenstrecke betreiben wird. Hierzu werden zunächst die Grundlagen von ETCS und der satellitenbasierten Ortung erläutert. Des Weiteren werden die Grundlagen des CSM Prozesses und der expliziten Risikoabschätzung eingeführt.
Aufbauend auf diesen Grundlagen wird der CSM Prozess angewandt und dabei eine Systemdefinition mit den Schnittstellen des Systems zur Umwelt erstellt. Mit der Hazop-Methode werden die Gefährdungen der Schnittstellen erfasst und beurteilt. Die sicherheitsrelevanten Gefährdungen werden in einer FMEA bewertet. In der folgenden Diskussion werden sicherheitsrelevante Gefährdungen nochmals betrachtet.
Das Ergebnis der Arbeit ist, dass im ausgewählten Szenario, unter der Verwendung der CSM-Prozesse und der industriell anerkannten Methoden Hazop und FMEA, die Integration der Board-autonomen-Ortung mit einem akzeptablen Risiko verbunden ist.
There is a growing demand for more flexibility in manufacturing to counter the volatility and unpredictability of the markets and provide more individualization for customers. However, the design and implementation of flexibility within manufacturing systems are costly and only economically viable if applicable to actual demand fluctuations. To this end, companies are considering additive manufacturing (AM) to make production more flexible. This paper develops a conceptual model for the impact quantification of AM on volume and mix flexibility within production systems in the early stages of the factory-planning process. Together with the model, an application guideline is presented to help planners with the flexibility quantification and the factory design process. Following the development of the model and guideline, a case study is presented to indicate the potential impact additive technologies can have on manufacturing flexibility Within the case study, various scenarios with different production system configurations and production programs are analyzed, and the impact of the additive technologies on volume and mix flexibility is calculated. This work will allow factory planners to determine the potential impacts of AM on manufacturing flexibility in an early planning stage and design their production systems accordingly.
Assistance systems have been widely adopted in the manufacturing sector to facilitate various processes and tasks in production environments. However, existing systems are mostly equipped with rigid functional logic and do not provide individual user experiences or adapt to their capabilities. This work integrates human factors in assistance systems by adjusting the hardware and instruction presented to the workers’ cognitive and physical demands. A modular system architecture is designed accordingly, which allows a flexible component exchange according to the user and the work task. Gamification, the use of game elements in non-gaming contexts, has been further adopted in this work to provide level-based instructions and personalised feedback. The developed framework is validated by applying it to a manual workstation for industrial assembly routines.
Traditional vulcanization mold manufacturing is complex, costly, and under pressure due to shorter product lifecycles and diverse variations. Additive manufacturing using Fused Filament Fabrication and high-performance polymers like PEEK offer a promising future in this industry. This study assesses the compressive strength of various infill structures (honeycomb, grid, triangle, cubic, and gyroid) when considering two distinct build directions (Z, XY) to enhance PEEK’s economic and resource efficiency in rapid tooling. A comparison with PETG samples shows the behavior of the infill strategies. Additionally, a proof of concept illustrates the application of a PEEK mold in vulcanization. A peak compressive strength of 135.6 MPa was attained in specimens that were 100% solid and subjected to thermal post-treatment. This corresponds to a 20% strength improvement in the Z direction. In terms of time and mechanical properties, the anisotropic grid and isotropic cubic infill have emerged for use in rapid tooling. Furthermore, the study highlights that reducing the layer thickness from 0.15 mm to 0.1 mm can result in a 15% strength increase. The study unveils the successful utilization of a room-temperature FFF-printed PEEK mold in vulcanization injection molding. The parameters and infill strategies identified in this research enable the resource-efficient FFF printing of PEEK without compromising its strength properties. Using PEEK in rapid tooling allows a cost reduction of up to 70% in tool production.
Manufacturing companies across multiple industries face an increasingly dynamic and unpredictable environment. This development can be seen on both the market and supply side. To respond to these challenges, manufacturing companies must implement smart manufacturing systems and become more flexible and agile. The flexibility in operational planning regarding the scheduling and sequencing of customer orders needs to be increased and new structures must be implemented in manufacturing systems’ fundamental design as they constitute much of the operational flexibility available. To this end, smart and more flexible solutions for production planning and control (PPC) are developed. However, scheduling or sequencing is often only considered isolated in a predefined stable environment. Moreover, their orientation on the fundamental logic of the existing IT solutions and their applicability in a dynamic environment is limited. This paper presents a conceptual model for a task-based description logic that can be applied to factory planning, technology planning, and operational control. By using service-oriented architectures, the goal is to generate smart manufacturing systems. The logic is designed to allow for easy and automated maintenance. It is compatible with the existing resource and process allocation logic across operational and strategic factory and production planning.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der digitalen Nachbildung eines Testgeländes sowie eines Schienenfahrzeugs in der Simulationsumgebung Gazebo. Der Schwerpunkt liegt auf der präzisen Abbildung der Umfeldsensorik anhand eines realen Schienenfahrzeuges. Ziel ist die Erzeugung äquivalenter Messdaten der Simulationsumgebung und des realen Schienenfahrzeuges unter gleichen Einsatzbedingungen. Dazu werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt, um die Parameter der einzelnen Sensorik so zu konfigurieren, dass die Messergebnisse mit den Messdaten der realen Sensorik konvergieren.
Die Ergebnisse der Messdaten zeigen, dass obwohl die Simulationsumgebung einige physikalische Materialeigenschaften nicht berücksichtigt, eine präzise Abbildung der Sensorik und geometrischen Strukturen des Testgeländes möglich ist. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Gazebo und ROS2 Integrationstests und die Entwicklung von Softwareanwendungen sowohl in der Simulation als auch auf dem realen Schienenfahrzeug. Eine realitätsnahe und reproduzierbare Auswertung der Sensormessdaten der Simulationsumgebung für Schienenfahrzeuge ist somit realisierbar.
Die IMechE Railway Challenge wird jährlich in Stapleford, Großbritannien ausgetragen. Im Rahmen der Challenge entwickeln und bauen Studierende eine Lokomotive und vergleichen sich in verschiedenen Disziplinen, darunter eine automatisierte Zielbremsung, optimale Energierückgewinnung beim Bremsen und minimale Geräuschemissionen. Neben diesen und weiteren technischen Wettbewerbsdisziplinen treten die Fahrzeuge und die Teams auch in nicht-technischen Disziplinen wie einer Business Case Challenge an.
Proteins are important ingredients in food and feed, they are the active components of many pharmaceutical products, and they are necessary, in the form of enzymes, for the success of many technical processes. However, production can be challenging, especially when using heterologous host cells such as bacteria to express and assemble recombinant mammalian proteins. The manufacturability of proteins can be hindered by low solubility, a tendency to aggregate, or inefficient purification. Tools such as in silico protein engineering and models that predict separation criteria can overcome these issues but usually require the complex shape and surface properties of proteins to be represented by a small number of quantitative numeric values known as descriptors, as similarly used to capture the features of small molecules. Here, we review the current status of protein descriptors, especially for application in quantitative structure activity relationship (QSAR) models. First, we describe the complexity of proteins and the properties that descriptors must accommodate. Then we introduce descriptors of shape and surface properties that quantify the global and local features of proteins. Finally, we highlight the current limitations of protein descriptors and propose strategies for the derivation of novel protein descriptors that are more informative.
The first and last mile of a railway journey, in both freight and transit applications, constitutes a high effort and is either non-productive (e.g. in the case of depot operations) or highly inefficient (e.g. in industrial railways). These parts are typically managed on-sight, i.e. with no signalling and train protection systems ensuring the freedom of movement. This is possible due to the rather short braking distances of individual vehicles and shunting consists. The present article analyses the braking behaviour of such shunting units. For this purpose, a dedicated model is developed. It is calibrated on published results of brake tests and validated against a high-definition model for low-speed applications. Based on this model, multiple simulations are executed to obtain a Monte Carlo simulation of the resulting braking distances. Based on the distribution properties and established safety levels, the risk of exceeding certain braking distances is evaluated and maximum braking distances are derived. Together with certain parameters of the system, these can serve in the design and safety assessment of driver assistance systems and automation of these processes.
The thermal conductivity of components manufactured using Laser Powder Bed Fusion (LPBF), also called Selective Laser Melting (SLM), plays an important role in their processing. Not only does a reduced thermal conductivity cause residual stresses during the process, but it also makes subsequent processes such as the welding of LPBF components more difficult. This article uses 316L stainless steel samples to investigate whether and to what extent the thermal conductivity of specimens can be influenced by different LPBF parameters. To this end, samples are set up using different parameters, orientations, and powder conditions and measured by a heat flow meter using stationary analysis. The heat flow meter set-up used in this study achieves good reproducibility and high measurement accuracy, so that comparative measurements between the various LPBF influencing factors to be tested are possible. In summary, the series of measurements show that the residual porosity of the components has the greatest influence on conductivity. The degradation of the powder due to increased recycling also appears to be detectable. The build-up direction shows no detectable effect in the measurement series.
Das Diskussionspapier beschreibt einen Prozess an der FH Aachen zur Entwicklung und Implementierung eines Self-Assessment-Tools für Studiengänge. Dieser Prozess zielte darauf ab, die Relevanz der Themen Digitalisierung, Internationalisierung und Nachhaltigkeit in Studiengängen zu stärken. Durch Workshops und kollaborative Entwicklung mit Studiendekan:innen entstand ein Fragebogen, der zur Reflexion und strategischen Weiterentwicklung der Studiengänge dient.