Fachbereich Maschinenbau und Mechatronik
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The fourth industrial revolution is on its way to reshape manufacturing and value creation in a profound way. The underlying technologies like cyber-physical systems (CPS), big data, collaborative robotics, additive manufacturing or artificial intelligence offer huge potentials for the optimization and evolution of production systems. However, many manufacturing companies struggle to implement these technologies. This can only in part be attributed to the lack of skilled personal within these companies or a missing digitalization strategy. Rather, there is a fundamental incompatibility between the way current production systems and companies (Industry 3.0) are structured across multiple dimensions compared to what is necessary for industry 4.0. This is especially true in manufacturing systems and their transition towards flexible, decentralized and autonomous value creation networks. This paper shows across various dimensions these incompatibilities within manufacturing systems, explores their reasons and discusses a different approach to create a foundation for Industry 4.0 in manufacturing companies.
Mit der Digitalen Automatischen Kupplung beginnt ein neues Kapitel des Schienengüterverkehrs, in dem zusammengestellte Wagen sich automatisch in wenigen Minuten abfahrbereit machen, ohne dass der Mensch eingreifen muss. Eines des größten Hemmnisse der umweltfreundlichen Schiene wird dann entfallen. Notwendig ist jetzt eine Diskussion über den Umfang und die Systemgrenzen der Automatischen Bremsprobe.
Die Ausbildung in Hochtechnologien wie beispielsweise der Mikrosystemtechnik ist oft durch einen hohen Grad an Komplexität charakterisiert. Damit verbunden sind hohe Kosten für die Errichtung und den Betrieb der speziellen Laborräume und ihre häufig geringe Verfügbarkeit für die Studierenden. Zukünftige Ingenieure sammeln während ihrer Ausbildung aus diesen Gründen nur in beschränktem Umfang praktische Erfahrungen. Die Industrie hingegen fordert Personal mit hoher fachlicher Kompetenz, also fundiertem theoretischen Wissen und umfangreichen praktischen Kenntnissen. Dieser Diskrepanz – qualifizierte Ingenieure auf der einen Seite und eine eher theoretisch ausgerichtete Ausbildung auf der anderen Seite – wird mit einem neuen Blended-Learning-Konzept für MST-Technologiepraktika begegnet. Lernende werden über ein virtuelles Labor, das einen echten Reinraum mit realen Anlagen simuliert, intensiv auf reale Laborpraktika vorbereitet. Dabei geht es im virtuellen Labor gleichermaßen um die Vermittlung von Theorie und Praxis. Nur trainierte Teilnehmer mit einer intensiven Vorbereitung sind in der Lage, relativ eigenständig ein echtes MST-Bauteil innerhalb des anschließenden einwöchigen Laborkurses zu fertigen. Die Wirksamkeit des Konzeptes und die Steigerung des Lernerfolges durch die kombinierten virtuellen und realen Laborkurse wurden im Rahmen der Dissertation begleitend untersucht. Die Ergebnisse flossen direkt in die Weiterentwicklung der Technologiepraktika ein. Die Konzepte und Erkenntnisse sind zudem sehr interessant für die Entwicklung von Blended-Learning-Angeboten in ähnlichen oder anderen Fachgebieten sowie für weitere Bildungseinrichtungen. <b>(Die Dissertation liegt hier in 2 Fassungen vor: Die Originalfassung ist nur bei guter Rechnerausstattung und guter Netzanbindung nutzbar, die konvertierte Fassung ist unverändert, allerdings sind Qualitätseinbußen beim Ausdruck einiger Grafiken möglich)</b>
Hands-on-training in high technology areas is usually limited due to the high cost for lab infrastructure and equipment. One specific example is the field of MEMS, where investment and upkeep of clean rooms with microtechnology equipment is either financed by production or R&D projects greatly reducing the availability for education purposes. For efficient hands-on-courses a MEMS training foundry, currently used jointly by six higher education institutions, was established at FH Kaiserslautern. In a typical one week course, students manufacture a micromachined pressure sensor including all lithography, thin film and packaging steps. This compact and yet complete program is only possible because participants learn to use the different complex machines in advance via a Virtual Training Lab (VTL). In this paper we present the concept of the MEMS training foundry and the VTL preparation together with results from a scientific evaluation of the VTL over the last three years.
Eine neue Generation von Praktika an Hochschulen wächst heran. Moderne Wege beim Verstehen und Erlernen naturwissenschaftlicher Zusammenhänge sowie industrieller Fertigungsprozesse sind gefordert. Das Technologiepraktikum „Virtuelle Sensor- Fertigung“, entwickelt im Verbundprojekt INGMEDIA an den Fachhochschulen Aachen und Zweibrücken, trägt als neuartiges Lern- und Lehrmodul dieser Forderung Rechnung. Die Studierenden lernen einen vollständigen Fertigungsprozess mit Hilfe von virtuellen, in LabVIEW programmierten Maschinen kennen, bevor sie die reale Prozesskette im Reinraum durchführen.
This work demonstrates how the interaction between particle image velocimetry (PIV) and robotics can massively increase measurement efficiency. The interdisciplinary approach is shown using the complex example of an automated, large scale, industrial environment: a typical automotive wind tunnel application. Both the high degree of flexibility in choosing the measurement region and the complete automation of stereo PIV measurements are presented. The setup consists of a combination of three robots, individually used as a 6D traversing unit for the laser illumination system as well as for each of the two cameras. Synchronised movements in the same reference frame are realised through a master-slave setup with a single interface to the user. By integrating the interface into the standard wind tunnel management system, a single measurement plane or a predefined sequence of several planes can be requested through a single trigger event, providing the resulting vector fields within minutes.
In this paper, a brief overview on the demands of large scale industrial PIV and the existing solutions is given. Afterwards, the concept of RoboPIV is introduced as a new approach. In a first step, the usability of a selection of commercially available robot arms is analysed. The challenges of pose uncertainty and importance of absolute accuracy are demonstrated through comparative measurements, explaining the individual pros and cons of the analysed systems. Subsequently, the advantage of integrating RoboPIV directly into the existing wind tunnel management system is shown on basis of a typical measurement sequence. In a final step, a practical measurement procedure, including post-processing, is given by using real data and results. Ultimately, the benefits of high automation are demonstrated, leading to a drastic reduction in necessary measurement time compared to non-automated systems, thus massively increasing the efficiency of PIV measurements.
The use of industrial robots allows the precise manipulation of all components necessary for setting up a large-scale particle image velocimetry (PIV) system. The known internal calibration matrix of the cameras in combination with the actual pose of the industrial robots and the calculated transform from the fiducial markers to camera coordinates allow the precise positioning of the individual PIV components according to the measurement demands. In addition, the complete calibration procedure for generating the external camera matrix and the mapping functions for e.g. dewarping the stereo images can be automatically determined without further user interaction and thus the degree of automation can be extended to nearly 100%. This increased degree of automation expands the applications range of PIV systems, in particular for measurement tasks with severe time constraints.
The objectives of the present work are to characterize the Gas Metal Arc Welding process of DP 600 sheet steel and to summarize the modelling techniques. The time-temperature evolution during the welding cycle was measured experimentally and modelled with the softwaretool SimWeld. To model the phase transformations during the welding cycle dilatometer tests were done to quantify the parameters for phase field modelling by MICRESS®. The important input parameters are interface mobility, nucleation density, etc. A contribution was made to include austenite to bainite transformation in MICRESS®. This is useful to predict the microstructure in the fast cooling segments. The phase transformation model is capable to predict the microstructure along the heating and cooling cycles of welding. Tensile tests have shown the evidence of failure at the heat affected zone, which has the ferrite-tempered martensite microstructure.
Unsteady flow measurements in the wake behind a wind-tunnel car model by using high-speed planar PIV
(2015)
This study investigates unsteady characteristics of the wake behind a 28%-scale car model in a wind tunnel using highspeed planar particle image velocimetry (PIV). The car model is based on a hatchback passenger car that is known to have relatively high fluctuations in its aerodynamic loads. This study primarily focuses on the lateral motion of the flow on the horizontal plane to determine the effect of the flow motion on the straight-line stability and the initial steering response of the actual car on a track. This paper first compares the flow fields in the wake behind the above mentioned model obtained using conventional and high-speed planar PIV, with sampling frequencies of 8 Hz and 1 kHz, respectively. Large asymmetrically coherent flow structures, which fluctuate at frequencies below 2 Hz, are observed in the results of highspeed PIV measurements, whereas conventional PIV is unable to capture these features of the flow owing to aliasing. This flow pattern with a laterally swaying motion is represented by opposite signs of cross-correlation coefficients of streamwise velocity fluctuations for the two sides of the car model. Effects of two aerodynamic devices that are known to reduce the
fluctuation levels of the aerodynamic loads are then extensively investigated. The correlation analyses reveal that these devices indeed reduce the fluctuation levels of the flow and the correlation values around the rear combination-lamp, but it is found that the effects of these devices are different around the c-pillar.
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.
Analysis of Big Data Streams to obtain Braking Reliability Information for Train Protection systems
(2017)
Eigene positive Erfahrungen mit Onlinekursen sowie die geringen Studierendenzahlen in der Präsenzlehre gaben den Anstoß zu einem Experiment mit einem offenen Onlinekurs auf der Plattform Udemy. Die Erfahrungen sowohl bei der Erstellung und als auch im Lehrbetrieb waren positiv und führten zu einer neuen Beschäftigung mit Inhalten und Lernenden, getrieben durch die Anforderungen der Lernplattform.
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.
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.
Berücksichtigung von No Fault Found im Diagnose- und Instandhaltungssystem von Schienenfahrzeugen
(2020)
Intermittierende und nicht reproduzierbare Fehler, auch als No Fault Found bezeichnet, treten in praktisch allen Bereichen auf und sorgen für hohe Kosten. Diese sind häufig auf unpräzise Fehlerbeschreibungen zurückzuführen. Im vorliegenden Beitrag werden Anpassungen der Vorgehensweise bei der Entwicklung und Anpassungen des Diagnosesystems vorgeschlagen.
Rare event simulation to optimise maintenance intervals of safety critical redundant subsystems
(2018)
Towards inclusion of the freight rail system in the industrial internet of things - Wagon 4.0
(2017)
Schienenverkehrssysteme stehen in zunehmendem Wettbewerb, sowohl untereinander als auch mit anderen Verkehrsträgern. Als wichtiger Aspekt zur Steigerung der Kosteneffizienz wird die Digitalisierung des Betriebs und der Fahrzeuge betrachtet. Über eine Prognose der Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. Restlebensdauer von Subsystemen können mittels Digitalisierung die Instandhaltungskosten gesenkt werden. Die geringen Fehlerraten im System Bahn machen die Nutzung besonderer Simulationstechniken notwendig. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie sich die Subsystemverfügbarkeit aus den beobachteten Fehlerraten der Teilfunktionen vorhersagen lässt.