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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.
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.
Adapting augmented reality systems to the users’ needs using gamification and error solving methods
(2021)
Animations of virtual items in AR support systems are typically predefined and lack interactions with dynamic physical environments. AR applications rarely consider users’ preferences and do not provide customized spontaneous support under unknown situations. This research focuses on developing adaptive, error-tolerant AR systems based on directed acyclic graphs and error resolving strategies. Using this approach, users will have more freedom of choice during AR supported work, which leads to more efficient workflows. Error correction methods based on CAD models and predefined process data create individual support possibilities. The framework is implemented in the Industry 4.0 model factory at FH Aachen.
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
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.
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.
The fourth industrial revolution introduces disruptive technologies to production environments. One of these technologies are multi-agent systems (MASs), where agents virtualize machines. However, the agent's actual performances in production environments can hardly be estimated as most research has been focusing on isolated projects and specific scenarios. We address this gap by implementing a highly connected and configurable reference model with quantifiable key performance indicators (KPIs) for production scheduling and routing in single-piece workflows. Furthermore, we propose an algorithm to optimize the search of extrema in highly connected distributed systems. The benefits, limits, and drawbacks of MASs and their performances are evaluated extensively by event-based simulations against the introduced model, which acts as a benchmark. Even though the performance of the proposed MAS is, on average, slightly lower than the reference system, the increased flexibility allows it to find new solutions and deliver improved factory-planning outcomes. Our MAS shows an emerging behavior by using flexible production techniques to correct errors and compensate for bottlenecks. This increased flexibility offers substantial improvement potential. The general model in this paper allows the transfer of the results to estimate real systems or other models.
Industrie 4.0 stellt viele Herausforderungen an produzierende Unternehmen und ihre Beschäf-tigten. Innovative und effektive Trainingsstrategien sind erforderlich, um mit den sich schnell verändernden Produktionsumgebungen und neuen Fertigungstechnologien Schritt halten zu können. Virtual Reality (VR) bietet neue Möglichkeiten für On-the-Job, On-Demand- und Off-Premise-Schulungen. Diese Arbeit stellt ein neues VR Schulungssystem vor, welches sich flexible an unterschiedliche Trainingsobjekte auf Grundlage von Rezepten und CAD Modellen anpassen lässt. Das Konzept basiert auf gerichteten azyklischen Graphen und einem Level-system. Es ermöglicht eine benutzerindividuelle Lerngeschwindigkeit mittels visueller Ele-mente. Das Konzept wurde für einen mechanischen Anwendungsfall mit Industriekomponen-ten implementiert und in der Industrie 4.0-Modellfabrik der FH Aachen umgesetzt.
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.
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.
Improving the Mechanical Strength of Dental Applications and Lattice Structures SLM Processed
(2020)
To manufacture custom medical parts or scaffolds with reduced defects and high mechanical characteristics, new research on optimizing the selective laser melting (SLM) parameters are needed. In this work, a biocompatible powder, 316L stainless steel, is characterized to understand the particle size, distribution, shape and flowability. Examination revealed that the 316L particles are smooth, nearly spherical, their mean diameter is 39.09 μm and just 10% of them hold a diameter less than 21.18 μm. SLM parameters under consideration include laser power up to 200 W, 250–1500 mm/s scanning speed, 80 μm hatch spacing, 35 μm layer thickness and a preheated platform. The effect of these on processability is evaluated. More than 100 samples are SLM-manufactured with different process parameters. The tensile results show that is possible to raise the ultimate tensile strength up to 840 MPa, adapting the SLM parameters for a stable processability, avoiding the technological defects caused by residual stress. Correlating with other recent studies on SLM technology, the tensile strength is 20% improved. To validate the SLM parameters and conditions established, complex bioengineering applications such as dental bridges and macro-porous grafts are SLM-processed, demonstrating the potential to manufacture medical products with increased mechanical resistance made of 316L.
Die fortschreitende Digitalisierung und Globalisierung fordert von den Unternehmen eine erhöhte Flexibilität und Anpassungsfähigkeit. Um dies zu erreichen, sind qualifizierte und engagierte Mitarbeiter/-innen unabdingbar. Gamification bietet die Möglichkeit, Beschäftigte individuell in ihren Tätigkeiten zu unterstützen und mittels Feedbackmechanismen zu motivieren. In dieser Arbeit wird ein Gamification Konzept bestehend aus einem intelligenten Arbeitsplatz, einer Wissensdatenbank und einer Gamification Plattform vorgestellt, welches an bestehende Produktionsumgebungen adaptiert werden kann. Das Konzept wird am Beispiel der Longboardproduktion in der Industrie 4.0 Modellfabrik der FH Aachen implementiert und evaluiert.
The maintenance of wind turbines is of growing importance considering the transition to renewable energy. This paper presents a multi-robot-approach for automated wind turbine maintenance including a novel climbing robot. Currently, wind turbine maintenance remains a manual task, which is monotonous, dangerous, and also physically demanding due to the large scale of wind turbines. Technical climbers are required to work at significant heights, even in bad weather conditions. Furthermore, a skilled labor force with sufficient knowledge in repairing fiber composite material is rare. Autonomous mobile systems enable the digitization of the maintenance process. They can be designed for weather-independent operations. This work contributes to the development and experimental validation of a maintenance system consisting of multiple robotic platforms for a variety of tasks, such as wind turbine tower and rotor blade service. In this work, multicopters with vision and LiDAR sensors for global inspection are used to guide slower climbing robots. Light-weight magnetic climbers with surface contact were used to analyze structure parts with non-destructive inspection methods and to locally repair smaller defects. Localization was enabled by adapting odometry for conical-shaped surfaces considering additional navigation sensors. Magnets were suitable for steel towers to clamp onto the surface. A friction-based climbing ring robot (SMART— Scanning, Monitoring, Analyzing, Repair and Transportation) completed the set-up for higher payload. The maintenance period could be extended by using weather-proofed maintenance robots. The multi-robot-system was running the Robot Operating System (ROS). Additionally, first steps towards machine learning would enable maintenance staff to use pattern classification for fault diagnosis in order to operate safely from the ground in the future.
The increasing digitalization brings new opportunities but also puts new challenges to modern industrial systems. Software agents are one of the key technologies towards self-optimizing factories and are currently used to address the needs of cyber-physical production systems (CPPS). However their interplay in industrial settings needs to be understood better.This paper focusses on securing a cloud infrastructure for multi-agent systems for industrial sites. An industrial site contains multiple production processes that need to communicate with each other and each physical resource is abstracted with a software agent. This volatile architecture needs to be managed and protected from manipulation. The proposed infrastructure presents a security concept for TCP/IP communication between agents, machines, and external networks. It is based on open-source software and tested on a three-node edge cloud controlling a model-plant.
While bringing new opportunities, the Industry 4.0 movement also imposes new challenges to the manufacturing industry and all its stakeholders. In this competitive environment, a skilled and engaged workforce is a key to success. Gamification can generate valuable feedbacks for improving employees’ engagement and performance. Currently, Gamification in workspaces focuses on computer-based assignments and training, while tasks that require manual labor are rarely considered. This research provides an overview of Enterprise Gamification approaches and evaluates the challenges. Based on that, a skill-based Gamification framework for manual tasks is proposed, and a case study in the Industry 4.0 model factory is shown.
We present an automated pipeline for the generation of synthetic datasets for six-dimension (6D) object pose estimation. Therefore, a completely automated generation process based on predefined settings is developed, which enables the user to create large datasets with a minimum of interaction and which is feasible for applications with a high object variance. The pipeline is based on the Unreal 4 (UE4) game engine and provides a high variation for domain randomization, such as object appearance, ambient lighting, camera-object transformation and distractor density. In addition to the object pose and bounding box, the metadata includes all randomization parameters, which enables further studies on randomization parameter tuning. The developed workflow is adaptable to other 3D objects and UE4 environments. An exemplary dataset is provided including five objects of the Yale-CMU-Berkeley (YCB) object set. The datasets consist of 6 million subsegments using 97 rendering locations in 12 different UE4 environments. Each dataset subsegment includes one RGB image, one depth image and one class segmentation image at pixel-level.
Industry 4.0 imposes many challenges for manufacturing companies and their employees. Innovative and effective training strategies are required to cope with fast-changing production environments and new manufacturing technologies. Virtual Reality (VR) offers new ways of on-the-job, on-demand, and off-premise training. A novel concept and evaluation system combining Gamification and VR practice for flexible assembly tasks is proposed in this paper and compared to existing works. It is based on directed acyclic graphs and a leveling system. The concept enables a learning speed which is adjustable to the users’ pace and dynamics, while the evaluation system facilitates adaptive work sequences and allows employee-specific task fulfillment. The concept was implemented and analyzed in the Industry 4.0 model factory at FH Aachen for mechanical assembly jobs.
In the study, the process chain of additive manufacturing by means of powder bed fusion will be presented based on the material glass. In order to reliably process components additively, new concepts with different solutions were developed and investigated.
Compared to established metallic materials, the properties of glass materials differ significantly. Therefore, the process control was adapted to the material glass in the investigations. With extensive parameter studies based on various glass powders such as borosilicate glass and quartz glass, scientifically proven results on powder bed fusion of glass are presented. Based on the determination of the particle properties with different methods, extensive investigations are made regarding the melting behavior of glass by means of laser beams. Furthermore, the experimental setup was steadily expanded. In addition to the integration of coaxial temperature measurement and regulation, preheating of the building platform is of major importance. This offers the possibility to perform 3D printing at the transformation temperatures of the glass materials. To improve the component’s properties, the influence of a subsequent heat treatment was also investigated.
The experience gained was incorporated into a new experimental system, which allows a much better exploration of the 3D printing of glass. Currently, studies are being conducted to improve surface texture, building accuracy, and geometrical capabilities using three-dimensional specimen.
The contribution shows the development of research in the field of 3D printing of glass, gives an insight into the machine and process engineering as well as an outlook on the possibilities and applications.
As researchers continue to seek the expansion of the material base for additive manufacturing, there is a need to focus attention on the Ni–Cu group of alloys which conventionally has wide industrial applications. In this work, the G-NiCu30Nb casting alloy, a variant of the Monel family of alloys with Nb and high Si content is, for the first time, processed via the laser powder bed fusion process (LPBF). Being novel to the LPBF processes, optimum LPBF parameters were determined, and hardness and tensile tests were performed in as-built conditions and after heat treatment at 1000 °C. Microstructures of the as-cast and the as-built condition were compared. Highly dense samples (99.8% density) were achieved after varying hatch distance (80 µm and 140 µm) with scanning speed (550 mm/s–1500 mm/s). There was no significant difference in microhardness between varied hatch distance print sets. Microhardness of the as-built condition (247 HV0.2) exceeded the as-cast microhardness (179 HV0.2.). Tensile specimens built in vertical (V) and horizontal (H) orientations revealed degrees of anisotropy and were superior to conventionally reported figures. Post heat treatment increased ductility from 20% to 31% (V), as well as from 16% to 25% (H), while ultimate tensile strength (UTS) and yield strength (YS) were considerably reduced.
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.
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.
Neue Perspektiven für die Bahn in der Produktions- und Distributionslogistik durch Prozessautomation
(2020)
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.
Transgenic plants have the potential to produce recombinant proteins on an agricultural scale, with yields of several tons per year. The cost-effectiveness of transgenic plants increases if simple cultivation facilities such as greenhouses can be used for production. In such a setting, we expressed a novel affinity ligand based on the fluorescent protein DsRed, which we used as a carrier for the linear epitope ELDKWA from the HIV-neutralizing antibody 2F5. The DsRed-2F5-epitope (DFE) fusion protein was produced in 12 consecutive batches of transgenic tobacco (Nicotiana tabacum) plants over the course of 2 years and was purified using a combination of blanching and immobilized metal-ion affinity chromatography (IMAC). The average purity after IMAC was 57 ± 26% (n = 24) in terms of total soluble protein, but the average yield of pure DFE (12 mg kg−1) showed substantial variation (± 97 mg kg−1, n = 24) which correlated with seasonal changes. Specifically, we found that temperature peaks (>28°C) and intense illuminance (>45 klx h−1) were associated with lower DFE yields after purification, reflecting the loss of the epitope-containing C-terminus in up to 90% of the product. Whereas the weather factors were of limited use to predict product yields of individual harvests conducted for each batch (spaced by 1 week), the average batch yields were well approximated by simple linear regression models using two independent variables for prediction (illuminance and plant age). Interestingly, accumulation levels determined by fluorescence analysis were not affected by weather conditions but positively correlated with plant age, suggesting that the product was still expressed at high levels, but the extreme conditions affected its stability, albeit still preserving the fluorophore function. The efficient production of intact recombinant proteins in plants may therefore require adequate climate control and shading in greenhouses or even cultivation in fully controlled indoor farms.
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.
Neue Perspektiven für die Bahn in der Produktions- und Distributionslogistik durch Prozessautomation
(2019)
Deutschland braucht mehr Eisenbahn um CO2-Emissionen aus dem Verkehr zu reduzieren. Sie muss zum Rückgrat aktueller Logistikprozesse, z.B. bei Kaufmannsgütern und E-Commerce, werden. Dies geht nicht ohne neuartige betriebliche Konzepte und eine Transformation des Güterwagens von einem „dummen Stück Stahl“ zu einem modernen Werkzeug der Logistik.
Als „Güterwagen 4.0“ wird ein kommunikativer und kooperativer Güterwagen verstanden, der die Voraussetzung zur Automatisierung aller Prozesse der Zugvorbereitung bereitstellt, sich aber ansonsten vollkommen kompatibel mit heutigen Betriebsverfahren im Hauptlauf präsentiert. Durch Kommunikation zwischen Güterwagen und umgebenden intelligenten Systemen im Sinne eines „Internet der Dinge“ gelingt damit unter Anderem die Realisierung hoch effizienter Gleisanschlussverkehre, die der Güterbahn neue Märkte abseits der klassisch bahn-affinen Verkehre erschließen und letztlich den Wandel zu einer nachhaltigen Gütermobilität fördern.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.