Fachbereich Maschinenbau und Mechatronik
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Das IoT ist ohne eingebettete Systeme undenkbar. Erst kleine und kleinste Mikrocontroller mit intelligenten Kommunikationsschnittstellen und Anbindung ans Internet ermöglichen sinnvolles und flächendeckendes Einsammeln von Daten. Doch wie kompliziert ist der Einstieg in die Embedded-Welt? Dieser Artikel gibt Einblick, wie die »Arduino-Plattform« die Einstiegshürden für eingebettete Systeme dramatisch reduzieren kann.
In Deutschland liegt der Anteil der Windkraft an der Gesamtstromerzeugung bei 13,3% mit mehr als 25.000 installierten Windenergieanlagen (WEA). Weltweit erfährt die Windbranche ein rasantes Wachstum. Indien und China berichten eine jährliche Wachstumsrate an Neuinstallationen von 45%. Die Technologie zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windkraft ist noch vergleichsweise jung. Durch die weltweit steigende Anzahl an Windenergieanlagen wächst zunehmend der Bedarf an innovativen Wartungslösungen. Komponenten wie Generator oder Getriebe sind inzwischen weitestgehend ausgereift. Der Fokus richtet sich zunehmend auf die wesentliche Kernkomponente - die Rotorblätter.
Industriekletterer inspizieren die Rotorblätter oder Türme i.d.R.
in einem zwei Jahres Rhythmus. Sie werden zunehmend durch Seilarbeitsbühnen unterstützt. Für größere Reparaturen kommen Kräne zum Einsatz, mit denen das Rotorblatt für die Instandhaltung demontiert wird. Die Standardinspektion besteht aus Sicht- und Klopfprüfung der Rotorblattoberfläche und ist nur bei sehr ruhiger Wetterlage durchführbar. Seit September 2014 wird das Forschungsprojekt SMART (Scanning, Monitoring, Analysis, Repair and Transportation), Entwicklung einer Wartungsplattform für WEA, vom BMWi gefördert. Das Konsortium besteht aus zwei Firmen und der
Fachhochschule Aachen. Die SMART-Anlage klettert reibschlüssig am Turm der WEA mittels speziellen Kettenfahrwerken (Abbildung) auf- und abwärts. Ein ringförmiges Spannsystems, basierend auf dem Konzept der „Nürnberger“-Schere, erzeugt die erforderliche Anpresskraft für den Kletterprozess. Wettergeschützte Arbeitskabinen ermöglichen die ganzjährige Instandhaltung von Rotorblättern und ebenso Türmen. Dadurch können Wartungsarbeiten auf 24 Stunden am Tag ausgeweitet werden. Der kombinierte Einsatz (Sensorfusion) bildgebender Messtechnik wie Thermografie, Ultraschall, und Terahertz in der Arbeitskabine kann die Dokumentation, Effizienz und Qualität der Instandhaltungsarbeiten erheblich verbessern. Langfristiges Ziel von SMART ist ein Condition Monitoring für Rotorblätter und Türme auf Basis digitalisierter dreidimensionaler Volumenscans. Der kooperative Einsatz mit UAVs erweitert die Instandhaltungsstrategie. UAVs ermöglichen die schnelle, kostengünstige globale optische Inspektion von Rotorblattoberflächen zur Detektion potentieller Fehlstellen. Der „Proof-of-Concept“ Meilenstein wurde mit der Demonstration eines funktionsfähigen Modells im Dezember 2015 erfolgreich abgeschlossen.
The aim of this work was to perform a detailed investigation of the use of Selective Laser Melting (SLM) technology to process eutectic silver-copper alloy Ag 28 wt. % Cu (also called AgCu28). The processing occurred with a Realizer SLM 50 desktop machine. The powder analysis (SEM-topography, EDX, particle distribution) was reported as well as the absorption rates for the near-infrared (NIR) spectrum. Microscope imaging showed the surface topography of the manufactured parts. Furthermore, microsections were conducted for the analysis of porosity. The Design of Experiments approach used the response surface method in order to model the statistical relationship between laser power, spot distance and pulse time.
IoT von der Stange
(2016)
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.
The potential of SMART climbing robot combined with a weatherproof cabin for rotor blade maintenance
(2016)
An equitable graph coloring is a proper vertex coloring of a graph G where the sizes of the color classes differ by at most one. The equitable chromatic number is the smallest number k such that G admits such equitable k-coloring. We focus on enumerative algorithms for the computation of the equitable coloring number and propose a general scheme to derive pruning rules for them: We show how the extendability of a partial coloring into an equitable coloring can be modeled via network flows. Thus, we obtain pruning rules which can be checked via flow algorithms. Computational experiments show that the search tree of enumerative algorithms can be significantly reduced in size by these rules and, in most instances, such naive approach even yields a faster algorithm. Moreover, the stability, i.e., the number of solved instances within a given time limit, is greatly improved.
Since the execution of flow algorithms at each node of a search tree is time consuming, we derive arithmetic pruning rules (generalized Hall-conditions) from the network model. Adding these rules to an enumerative algorithm yields an even larger runtime improvement.
We prove characterizations of the existence of perfect ƒ-matchings in uniform mengerian and perfect hypergraphs. Moreover, we investigate the ƒ-factor problem in balanced hypergraphs. For uniform balanced hypergraphs we prove two existence theorems with purely combinatorial arguments, whereas for non-uniform balanced hypergraphs we show that the ƒ-factor problem is NP-hard.
We present a new Min-Max theorem for an optimization problem closely connected to matchings and vertex covers in balanced hypergraphs. The result generalizes Kőnig’s Theorem (Berge and Las Vergnas in Ann N Y Acad Sci 175:32–40, 1970; Fulkerson et al. in Math Progr Study 1:120–132, 1974) and Hall’s Theorem (Conforti et al. in Combinatorica 16:325–329, 1996) for balanced hypergraphs.
Low-end-Embedded-Plattformen stellen eine hohe Anforderung an die Entscheidungsfähigkeit des Entwicklers: Zum nächstgrößeren Prozessor greifen und ein Betriebssystem benutzen oder doch besser auf das Betriebssystem verzichten? Die Frage lässt sich einfach beantworten: Einen Nanokernel verwenden und das Embedded-System mit einem minimalen Footprint realisieren. Adam Dunkels Protothreads sind eine ausgesprochen effiziente Art, Mikrocontroller gut strukturiert zu programmieren und gleichzeitig auf Overhead zu verzichten. So können auch mit kleinen 8-bit-Prozessoren anspruchsvolle Aufgaben in einem Thread-Modell bearbeitet werden. Man muss also nicht immer das Rad neu erfinden oder gleich auf Linux-basierte Systeme zurückgreifen.
Genussrechte als Instrument der Unternehmensfinanzierung von kommunalen Wohnungs- baugesellschaften
(2016)
Die kommunalen Wohnungsbaugesellschaften und ihr Geschäftszweck bzw. Versorgungsauftrag erfahren aus gesamtgesellschaftlichen Gründen aktuell einen erheblichen Bedeutungszuwachs. Der kommunale Wohnungsbau soll und muss intensiviert werden, da z.B. zunehmend Wohnungsbindungen auslaufen. Bezahlbare Neubauten fehlen speziell Familien, Senioren, Studenten und Flüchtlingen. Um das Investitionsvolumen zu bewältigen, bedarf es nicht nur der Förderkredite, sondern auch der Zuführung „frischen Kapitals“. Der Beitrag stellt dar, dass Genussrechte ein interessantes und oft unbekanntes Finanzierungsinstrument für kommunale Wohnungsbaugesellschaften mit passgenauen Ausgestaltungsmöglichkeiten sind. Mit Hilfe von Genussrechten können die notwendigen Neubau-Investitionen solide mit Quasi-Eigenkapital unterlegt werden und den sozialen Wohnungsbau wiederbeleben. Genussrechte als Hybridkapital lassen sich mangels gesetzlicher Eingrenzung exakt und individuell ebenso an die Bedürfnisse der kommunalen Wohnungsbaugesellschaft anpassen wie an die der Gesellschafter und des jeweiligen Neubauvorhabens.
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.
Entwicklung eines Kletterroboters zur Diagnose und Instandsetzung von Windenergieanlagen (SMART)
(2016)
Für Auftragschweißaufgaben existiert eine Vielzahl an verfahrenstechnischen
Prozessvarianten, die je nach Charakteristik und Anwendungsfall
ausgewählt werden. Ein Nachteil der vorwiegend verwendeten Metall-
Schutzgasschweißprozesse (MSG) für das Auftragschweißen ist durch die
direkte Kopplung von Drahtvorschub zu Energieeintrag gegeben. Die vorgestellte
Zweidraht-Prozessvariante kann durch die Ausbildung eines übertragenen
und eines nicht-übertragenen Lichtbogens die elektrische Leistung
beider Lichtbögen variieren und damit einen direkten Einfluss auf
die Prozessgrößen Abschmelzleistung und Aufschmelzgrad nehmen. Im
Speziellen besteht über die Entkopplung von Drahtvorschub zu Schweißstromstärke
die Möglichkeit eines niederenergetischen Betriebs trotz hoher
Drahtvorschubgeschwindigkeit. Damit lassen sich Aufschmelzgrade
unter 2% umsetzen und Abschmelzleistungen bis zu 15 kg/h realisieren.
This paper presents the results of an eigenvalue analysis of the Fatih Sultan Mehmet Bridge. A high-resolution finite element model was created directly from the available design documents. All physical properties of the structural components were included in detail, so no calibration to the measured data was necessary. The deck and towers were modeled with shell elements. A nonlinear static analysis was performed before the eigenvalue calculation. The calculated natural frequencies and corresponding mode shapes showed good agreement with the available measured ambient vibration data. The calculation of the effective modal mass showed that nine modes had single contributions higher than 5 % of the total mass. They were in a frequency range up to 1.2 Hz. The comparison of the results for the torsional modes especially demonstrated the advantage of using thin shell finite elements over the beam modeling approach.
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.
Towards inclusion of the freight rail system in the industrial internet of things - Wagon 4.0
(2017)
Analysis of Big Data Streams to obtain Braking Reliability Information for Train Protection systems
(2017)
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 rail business is challenged by long product life cycles and a broad spectrum of assembly groups and single parts. When spare part obsolescence occurs, quick solutions are needed. A reproduction of obsolete parts is often connected to long waiting times and minimum lot quantities that need to be purchased and stored. Spare part storage is therefore challenged by growing stocks, bound capital and issues of part ageing. A possible solution could be a virtual storage of spare parts which will be 3D printed through additive manufacturing technologies in case of sudden demand. As mechanical properties of additive manufactured parts are neither guaranteed by machine manufacturers nor by service providers, the utilization of this relatively young technology is impeded and research is required to address these issues. This paper presents an examination of mechanical properties of specimens manufactured from stainless steel through the selective laser melting (SLM) process. The specimens were produced in multiple batches. This paper interrogates the question if the test results follow a normal distribution pattern and if mechanical property predictions can be made. The results will be put opposite existing threshold values provided as the industrial standard. Furthermore, probability predictions will be made in order to examine the potential of the SLM process to maintain state-of-the-art mechanical property requirements.
Die Fallstudie FAYMONVILLE beschäftigt sich damit, wie es dem Familienunternehmen Faymonville aus Ostbelgien gelungen ist, sich zu einem der führenden Hersteller in seiner Branche zu entwickeln. Die gezielte Identifizierung neuer Märkte, die Fokussierung auf die relevanten Kundenbedürfnisse und eine konsistente Produktpolitik mit einem abgestimmten Fertigungskonzept legen die Grundsteine für den Erfolg. Das vorliegende Fallbeispiel zeigt anschaulich, wie es gelingen kann, den prinzipiellen Widerspruch zwischen wirtschaftlicher und kundenindividueller Fertigung erfolgreich aufzulösen.
Bereits 2015 wurde in der Zeitschrift „Qualität in der Wissenschaft“ (QiW) über das Kooperationsprojekt „Guter Studienstart im Ingenieurbereich“, das Orientierungssemester von RWTH und FH Aachen, berichtet. In diesem Artikel legen wir den Schwerpunkt auf die Entwicklung des Projekts in den Jahren 2015 bis 2018 und geben eine Rückschau sowie einen Ausblick auf die Entwicklungsperspektiven nach dem offiziellen Projektende.
Sensor positioning and thermal model for condition monitoring of pressure gas reservoirs in vehicles
(2018)
For smaller railway operators or those with a diverse fleet, it can be difficult to collect sufficient data to improve maintenance programs. At the same time, new rules such as entity in charge of maintenance – ECM – regulations impose an additional workload by requiring a dedicated maintenance management system and specific reports. The RailCrowd platform sets out to facilitate compliance with ECM and similar regulations while at the same time pooling anonymised fleet data across operators to form virtual fleets, providing greater data insights.
Rare event simulation to optimise maintenance intervals of safety critical redundant subsystems
(2018)
Wenn durch innovative, automatisierte Güterwagen betriebswirtschaftliche Vorteile nutzbar gemacht werden sollen, muss die Migration auf das neue System in sinnvollen Teilschritten unter Berücksichtigung der organisationellen und betrieblichen Vereinbarkeit vorgenommen werden. Eine stufenweise Migration mit Nachrüstbarkeit und Kompatibilität kann die optimale Ausstattungsvariante für die unterschiedlichen Betriebsszenarien sowie eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems bieten.
Das Forschungsprojekt Produktionseffizienz in der Kleinserie (ProeK) erarbeitet kostengünstige und effiziente Lösungsansätze für Prozessketten im Zukunftsfeld der Elektromobilität. Das Teilprojekt Karosserie setzt diese Zielsetzung durch innovative und praxisorientierte Produkt- und Prozesskonzepte mit neuartigen bauteilintegrierten Vorrichtungsfunktionen (BiV) um. Im Teilprojekt Außenhaut sollen Toleranzen adaptiv durch Anpassungen der Prozessparameter sowie Bauteilmanipulation kompensiert werden.
In competition with other modes of transport, rail freight transport is looking for solutions to become more attractive. Short-term success can be achieved through the data-driven optimization of operations and maintenance as well as the application of novel strategies such as prescriptive maintenance. After introducing the concept of prescriptive maintenance, this paper aims to prove that vehicle-focused applications of this approach indeed have the potential to increase attractiveness. However, even greater advantages can be activated if data from the horizontal network of the vehicle is available. Drawing on the state of the art in research and technology in the field of cyber-physical systems (CPS) as well as digital twins and shadows, our work serves to design a system of systems for the horizontal interconnection of a rail vehicle and to conceptualize a draft for a digital twin of a locomotive.
Rapid Tooling
(2019)
Entwicklung einer Qualitätssicherung für das Laserstrahlschweißen im Vakuum mittels Bildverarbeitung
(2019)
Tribological performance of biodegradable lubricants under different surface roughness of tools
(2019)
Laser-based Additive Manufacturing (AM) processes for the use of metals out of the powder bed have been investigated profusely and are prevalent in industry. Although there is a broad field of application, Laser Powder Bed Fusion (LPBF), also known as Selective Laser Melting (SLM) of glass is not fully developed yet. The material properties of glass are significantly different from the investigated metallic material for LPBF so far. As such, the process cannot be transferred, and the parameter limits and the process sequence must be redefined for glass. Starting with the characterization of glass powders, a parameter field is initially confined to investigate the process parameter of different glass powder using LPBFprocess. A feasibility study is carried out to process borosilicate glass powder. The effects of process parameters on the dimensional accuracy of fabricated parts out of borosilicate and hints for the post-processing are analysed and presented in this paper.
The manufacturing share of laser powder bed fusion (L-PBF) increases in industrial application, but still many process steps are manually operated. Additionally, it is not possible to achieve tight dimensional tolerances or low surfaces roughness. Hence, a process chain has to be set up to combine additive manufacturing (AM) with further machining technologies. To achieve a continuous workpiece flow as basis for further industrialization of L-PBF, the paper presents a novel substrate system and its application on L-PBF machines and post-processing. The substrate system consists of a zero-point clamping system and a matrix-like interface of contact pins to be substantially connected to the workpiece within the L-PBF process.
Additive manufacturing (AM) works by creating objects layer by layer in a manner similar to a 2D printer with the “printed” layers stacked on top of each other. The layer-wise manufacturing nature of AM enables fabrication of freeform geometries which cannot be fabricated using conventional manufacturing methods as a one part. Depending on how each layer is created and bonded to the adjacent layers, different AM methods have been developed. In this chapter, the basic terms, common materials, and different methods of AM are described, and their potential applications are discussed.
Trotz fortschreitender Automatisierung bleiben manuelle Tätigkeiten ein wichtiger Baustein der Fertigung kundenindividueller Produkte. Um die Mitarbeiter(innen) zu unterstützen und um eine effiziente Arbeit zu ermöglichen, werden zunehmend auf Augmented Reality (AR) basierende Systeme eingesetzt. Die vorgestellte Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung ganzheitlicher AR-Arbeitsplätze für den Einsatz in kleinen und mittleren Unternehmen (KMU). Das entwickelte AR- Handarbeitskonzept beinhaltet eine Just-in-time-Darstellung der Arbeitsaufgaben auf Werkstücken mit automatisierter Fertigungskontrolle. Als
Reaktion auf kurze Produktlebenszyklen und hohe Produktvielfalten sind alle Komponenten auf maximale Flexibilität ausgelegt. Ein Umrüsten auf neue Produkte kann innerhalb von Minuten erfolgen.
The implementation of IO-Link in the automation industry has increased over the years. Its main advantage is it offers a digital point-to-point plugand-play interface for any type of device or application. This simplifies the communication between devices and increases productivity with its different features like self-parametrization and maintenance. However, its complete potential is not always used.
The aim of this paper is to create an Arduino based framework for the development of generic IO-Link devices and increase its implementation for rapid prototyping. By generating the IO device description file (IODD) from a graphical user interface, and further customizable options for the device application, the end-user can intuitively develop generic IO-Link devices. The peculiarity of this framework relies on its simplicity and abstraction which allows to implement any sensor functionality and virtually connect any type of device to an IO-Link master. This work consists of the general overview of the framework, the technical background of its development and a proof of concept which demonstrates the workflow for its implementation.