Fachbereich Maschinenbau und Mechatronik
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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.
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.
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.
The fourth industrial revolution presents a multitude of challenges for industries, one of which being the increased flexibility required of manufacturing lines as a result of increased consumer demand for individualised products. One solution to tackle this challenge is the digital twin, more specifically the standardised model of a digital twin also known as the asset administration shell. The standardisation of an industry wide communications tool is a critical step in enabling inter-company operations. This paper discusses the current state of asset administration shells, the frameworks used to host them and their problems that need to be addressed. To tackle these issues, we propose an event-based server capable of drastically reducing response times between assets and asset administration shells and a multi-agent system used for the orchestration and deployment of the shells in the field.
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.
Wir stellen hier exemplarisch STACK Aufgaben vor, die frei von der Problematik sind, welche sich durch diverse Kommunikationswege und (webbasierte) Computer Algebra Systeme (CAS) ergibt. Daher sind sie insbesondere für eine Open-Book Online Prüfung geeignet, da eine faire Prüfungssituation gewährleistet werden kann.
In the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process, parts are built out of metal powder material by exposure of a laser beam. During handling operations of the powder material, several influencing factors can affect the properties of the powder material and therefore directly influence the processability during manufacturing. Contamination by moisture due to handling operations is one of the most critical aspects of powder quality. In order to investigate the influences of powder humidity on LPBF processing, four materials (AlSi10Mg, Ti6Al4V, 316L and IN718) are chosen for this study. The powder material is artificially humidified, subsequently characterized, manufactured into cubic samples in a miniaturized process chamber and analyzed for their relative density. The results indicate that the processability and reproducibility of parts made of AlSi10Mg and Ti6Al4V are susceptible to humidity, while IN718 and 316L are barely influenced.
There are different types of games that try to make use of the motivation of a gaming situation in learning contexts. This paper introduces the new terminology ‘Competence Developing Game’ (CDG) as an umbrella term for all games with this intention. Based on this new terminology, an assessment framework has been developed and validated in scope of an empirical study. Now, all different types of CDGs can be evaluated according to a defined and uniform set of assessment criteria and, thus, are comparable according to their characteristics and effectiveness.
Additive Manufacturing (AM) of metallic workpieces faces a continuously rising technological relevance and market size. Producing complex or highly strained unique workpieces is a significant field of application, making AM highly relevant for tool components. Its successful economic application requires systematic workpiece based decisions and optimizations. Considering geometric and technological requirements as well as the necessary post-processing makes deciding effortful and requires in-depth knowledge. As design is usually adjusted to established manufacturing, associated technological and strategic potentials are often neglected. To embed AM in a future proof industrial environment, software-based self-learning tools are necessary. Integrated into production planning, they enable companies to unlock the potentials of AM efficiently. This paper presents an appropriate methodology for the analysis of process-specific AM-eligibility and optimization potential, added up by concrete optimization proposals. For an integrated workpiece characterization, proven methods are enlarged by tooling-specific figures.
The first stage of the approach specifies the model’s initialization. A learning set of tooling components is described using the developed key figure system. Based on this, a set of applicable rules for workpiece-specific result determination is generated through clustering and expert evaluation. Within the following application stage, strategic orientation is quantified and workpieces of interest are described using the developed key figures. Subsequently, the retrieved information is used for automatically generating specific recommendations relying on the generated ruleset of stage one. Finally, actual experiences regarding the recommendations are gathered within stage three. Statistic learning transfers those to the generated ruleset leading to a continuously deepening knowledge base. This process enables a steady improvement in output quality.
Gamification applications are on the rise in the manufacturing sector to customize working scenarios, offer user-specific feedback, and provide personalized learning offerings. Commonly, different sensors are integrated into work environments to track workers’ actions. Game elements are selected according to the work task and users’ preferences. However, implementing gamified workplaces remains challenging as different data sources must be established, evaluated, and connected. Developers often require information from several areas of the companies to offer meaningful gamification strategies for their employees. Moreover, work environments and the associated support systems are usually not flexible enough to adapt to personal needs. Digital twins are one primary possibility to create a uniform data approach that can provide semantic information to gamification applications. Frequently, several digital twins have to interact with each other to provide information about the workplace, the manufacturing process, and the knowledge of the employees. This research aims to create an overview of existing digital twin approaches for digital support systems and presents a concept to use digital twins for gamified support and training systems. The concept is based upon the Reference Architecture Industry 4.0 (RAMI 4.0) and includes information about the whole life cycle of the assets. It is applied to an existing gamified training system and evaluated in the Industry 4.0 model factory by an example of a handle mounting.
The recent amendment to the Ethernet physical layer known as the IEEE 802.3cg specification, allows to connect devices up to a distance of one kilometer and delivers a maximum of 60 watts of power over a twisted pair of wires. This new standard, also known as 10BASE-TIL, promises to overcome the limits of current physical layers used for field devices and bring them a step closer to Ethernet-based applications. The main advantage of 10BASE- TIL is that it can deliver power and data over the same line over a long distance, where traditional solutions (e.g., CAN, IO-Link, HART) fall short and cannot match its 10 Mbps bandwidth. Due to its recentness, IOBASE- TIL is still not integrated into field devices and it has been less than two years since silicon manufacturers released the first Ethernet-PHY chips. In this paper, we present a design proposal on how field devices could be integrated into a IOBASE-TIL smart switch that allows plug-and-play connectivity for sensors and actuators and is compliant with the Industry 4.0 vision. Instead of presenting a new field-level protocol for this work, we have decided to adopt the IO-Link specification which already includes a plug-and-play approach with features such as diagnosis and device configuration. The main objective of this work is to explore how field devices could be integrated into 10BASE-TIL Ethernet, its adaption with a well-known protocol, and its integration with Industry 4.0 technologies.
Virtual Reality (VR) offers novel possibilities for remote training regardless of the availability of the actual equipment, the presence of specialists, and the training locations. Research shows that training environments that adapt to users' preferences and performance can promote more effective learning. However, the observed results can hardly be traced back to specific adaptive measures but the whole new training approach. This study analyzes the effects of a combined point and leveling VR-based gamification system on assembly training targeting specific training outcomes and users' motivations. The Gamified-VR-Group with 26 subjects received the gamified training, and the Non-Gamified-VR-Group with 27 subjects received the alternative without gamified elements. Both groups conducted their VR training at least three times before assembling the actual structure. The study found that a level system that gradually increases the difficulty and error probability in VR can significantly lower real-world error rates, self-corrections, and support usages. According to our study, a high error occurrence at the highest training level reduced the Gamified-VR-Group's feeling of competence compared to the Non-Gamified-VR-Group, but at the same time also led to lower error probabilities in real-life. It is concluded that a level system with a variable task difficulty should be combined with carefully balanced positive and negative feedback messages. This way, better learning results, and an improved self-evaluation can be achieved while not causing significant impacts on the participants' feeling of competence.
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.
This paper presents the laser-based powder bed fusion (L-PBF) using various glass powders (borosilicate and quartz glass). Compared to metals, these require adapted process strategies. First, the glass powders were characterized with regard to their material properties and their processability in the powder bed. This was followed by investigations of the melting behavior of the glass powders with different laser wavelengths (10.6 µm, 1070 nm). In particular, the experimental setup of a CO2 laser was adapted for the processing of glass powder. An experimental setup with integrated coaxial temperature measurement/control and an inductively heatable build platform was created. This allowed the L-PBF process to be carried out at the transformation temperature of the glasses. Furthermore, the component’s material quality was analyzed on three-dimensional test specimen with regard to porosity, roughness, density and geometrical accuracy in order to evaluate the developed L-PBF parameters and to open up possible applications.
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.
Wind energy represents the dominant share of renewable energies. The rotor blades of a wind turbine are typically made from composite material, which withstands high forces during rotation. The huge dimensions of the rotor blades complicate the inspection processes in manufacturing. The automation of inspection processes has a great potential to increase the overall productivity and to create a consistent reliable database for each individual rotor blade. The focus of this paper is set on the process of rotor blade inspection automation by utilizing an autonomous mobile manipulator. The main innovations include a novel path planning strategy for zone-based navigation, which enables an intuitive right-hand or left-hand driving behavior in a shared human–robot workspace. In addition, we introduce a new method for surface orthogonal motion planning in connection with large-scale structures. An overall execution strategy controls the navigation and manipulation processes of the long-running inspection task. The implemented concepts are evaluated in simulation and applied in a real-use case including the tip of a rotor blade form.
Für die Herstellung von metallischen Bauteilen wird in der heutigen Zeit eine Vielzahl von Verfahren auf dem Markt angeboten. Dabei stehen die additiven im Wettbewerb zu den konventionellen Verfahren. Die erreichbaren Oberflächenqualitäten der additiven sind nicht mit denen spanender Verfahren vergleichbar. Für diesen Beitrag wurde analysiert, ob sich ein mittels Selektivem Laserschmelzen (SLM) additiv hergestellter Edelstahl hinsichtlich seiner Oberflächenqualität nach der Zerspanung von einem umgeformten konventionell hergestellten Edelstahl gleicher Sorte unterscheidet.
Dieses Lehrbuch vermittelt die Grundlagen der Wärmeübertragung sowie den Umgang mit EXCEL-VBA von der Erstellung von Makros bis zu benutzerdefinierten Funktionen. Es legt damit eine Basis für die schnelle und professionelle Durchführung von Berechnungen und Simulationen. Die angeleitete Erstellung von Berechnungsmodulen mit EXCEL und VBA aus allen wichtigen Bereichen der Wärmeübertragung bildet den inhaltlichen Schwerpunkt. Dazu zählen die stationäre Wärmeleitung und der stationäre Wärmedurchgang, die instationäre Wärmeleitung, der Wärmeübergang bei freier und erzwungener Konvektion sowie die Wärmestrahlung und der Wärmeübergang beim Kondensieren und Sieden. Soweit sinnvoll und möglich werden die Stoffwertekorrelationen und die Berechnungsvorschriften aus dem VDI-Wärmeatlas verwendet. Für ausgewählte Anwendungen werden zudem komplexere Auslegungen und Simulationen von Prozessen der Wärmeübertragung sowie von Wärmeübertragern erstellt. Die Zielgruppen: Studierende in Bachelor- und Masterstudiengängen, Praktiker im Engineering