Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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Cyber-physische Produktionssysteme (CPPS) ermöglichen die Herstellung kundenindividueller Produkte in kleinen Losgrößen durch Nutzung aktueller Entwicklungen der Informations- und Kommunikationstechnologien. Im Materialfluss in CPPS ist jedoch aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften der Fördergüter und dynamischer Prozesszuweisungen die Gefahr physikalisch bedingter Störungen erhöht. Diese Arbeit untersucht die Nutzung von Physiksimulation als Basis eines Digitalen Zwillings von Fördermitteln, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Das Ziel besteht darin, durch die Simulation der physikalischen Phänomene einzelner Materialflussprozesse die negativen Einflüsse von Störungen zu verringern und somit die Leistungsfähigkeit des Produktionssystems zu erhöhen. Hierzu findet zunächst eine konzeptionelle Entwicklung des Digitalen Zwillings statt, die eine Analyse der beteiligten Systeme, eine Anforderungsdefinition, eine Festlegung von Aufbau- und Ablaufstruktur, sowie eine Formalisierung der einzelnen Funktionsbestandteile umfasst. Im Anschluss wird der Digitale Zwilling softwaretechnisch implementiert, mit einem exemplarischen Fördermittel vernetzt und prototypisch in Betrieb genommen. Die Ergebnisse zeigen die Eignung der Physiksimulation für den beschriebenen Zweck und die Wirksamkeit des Einsatzes auf Produktionssystemebene, indem Materialflussprozesse beschleunigt durchgeführt, überwacht und im Falle von Störungen nachträglich simulativ untersucht werden können.
In contrast to motorbike tyres, whose friction during cornering has to be as high as possible, the desired effect in skiing is the opposite, that of low friction. The reduced friction between skis and ice or snow is made possible by a film of meltwater that forms as a function of friction power. To support this friction mechanism, skis are waxed with different waxes in both hobby and professional sports, depending on a variety of conditions. Waxes with fluorine additives show best performance in most conditions, corresponding to the lowest friction coefficients. However, for health and environmental reasons, the International Ski Federation (FIS) and the Biathlon Un-ion (IBU) have imposed a complete ban on fluorine additives at all FIS races and IBU events with effect from the 2023/2024 season. As a result, wax manufacturers are required to develop and extensively test fluorine-free waxes in order to remain competitive.
Traditional tests take place either indoors or outdoors in the field. Athletes, who complete a particular distance and whose time is measured, also note the impres-sions that the prepared skis provide to the skiers. The time and cost involved in nu-merous individual tests is a drawback, and the presence of only a single type of snow in the hall or field, air resistance, changing environmental conditions and var-iations in the athlete's movement, limit the depth of information. For the need of re-ducing the time-consuming procedure of indoor and outdoor tests, a tribometer of-fers a solution where friction measurements can be performed on a laboratory scale. Due to the consistent adjustable conditions such as temperature, speed and load applied to the friction partners, scientific studies can be carried out with reduced dis-turbance variables. At present, the tribometric results of laboratory instruments for predicting friction values do not translate into application in practice. The reasons for this are the compromises that have to be made in the design of the tribometers.
This work reviews the existing tribometers for their operating conditions and con-firms the need for a scientific method of characterising different waxes. In order to fill the gap between friction results obtained in laboratory tests which cannot yet be used in the selection of waxes, and traditional field tests, this thesis is dedicated to the methodical design and manufacture of a linear tribometer capable of measuring friction between a ski base made of UHMWPE (ultra high molecular weight polyeth-ylene) and an ice sample. The tribometer provides for the first time results that allow differentiating be-tween different modified waxes with regard to their running performance. Friction-influencing factors such as speed, temperature and the surface pressure below the ski base can be adjusted within the range relevant for ski sports. Furthermore, the laboratory-scale test stand, which is located in a cold chamber, is capable of ac-commodating not only typical ski jumping base lengths and widths, but also cross-country and alpine ski bases. To verify the tribometer, a ski base is treated with three waxes of different fluorine content and measured comparatively. With a minimum of 95% confidence, the friction differences between the tested waxes depending on their fluorine content is validated and proven at the end of this work.
Production, purification and analysis of novel peptide antibiotics from terrestrial cyanobacteria
(2024)
Cyanobacteria are a known source for bioactive compounds, of which several also show antibiotic activity. In regard to the growing number of multi-resistant pathogens, the search for novel antibiotic substances is of great importance and unexploited sources should be explored. So, this thesis initially dealt with the identification of productive strains, especially within the group of the terrestrial cyanobacteria, which are less well studied than marine and freshwater strains. Amongst these, Chroococcidiopsis cubana, an extremely desiccation and radiation tolerant, unicellular cyanobacterium was found to produce an extracellular antimicrobial metabolite effective against the Gram-positive indicator bacterium Micrococcus luteus as well as the pathogenic yeast Candida auris. However, as the sole identification of a productive cyanobacterium is not sufficient for further analysis and a future production scale-up, the second part of this thesis targeted the identification of compound synthesis prerequisites. As a result, a limitation of nitrogen was shown to be the production trigger, a finding that was used for the establishment of a continuous production system. The increased compound formation was then used for purification and analysis steps. As a second approach, in silico identified bacteriocin gene clusters from C. cubana were cloned and heterologously expressed in Escherichia coli. By this, the bacteriocin B135CC was identified as a strong bacteriolytic agent, active predominantly against the Gram-positive strains Staphylococcus aureus and Mycobacterium phlei. The peptide showed no cytotoxic effects against mouse neuroblastoma (N2a-) cells and a high temperature tolerance up to 60 °C. In order to facilitate the whole project, two standard protocols, specifically adapted for the work with cyanobacteria, were established. First, a method for a quick and easy in vivo vitality estimation of phototrophic cells and second, an approach for a high throughput determination of nitrate concentrations in microalgal cultures. Both methods greatly helped to proceed the main objectives of this work, the first one by simplifying the development of suitable cryopreservation protocols for individual cyanobacteria strains and the second one by accelerating the determination of the optimal nitrate concentration for the production of the antimicrobial compound from C. cubana. In the course of this cultivation optimization, the ability of cyanobacteria to utilize organic carbon sources for an accelerated cell growth was examined in greater detail. It could be shown that C. cubana reaches significantly higher growth rates when mixotrophically cultivated with fructose or glucose. Interestingly, this effect was even further enhanced when light intensity was decreased. Under these low-light conditions, phototrophically cultivated C. cubana cells showed a clearly decreased cell growth. This effect might be extremely useful for a quick and economic preparation of precultures.
Industrial robots are vital in automation technology, but their limitations become evident in applications requiring high path accuracy. This research focuses on improving the dynamic path accuracy of industrial robots by integrating additional sensor technology and employing intelligent feed-forward control. Specifically, the inclusion of secondary encoder sensors enables explicit measurement and compensation of robot gear deformations. Three types of model-based feed-forward controllers, namely physics-based, data-based, and hybrid, are developed to effectively counteract dynamic effects.
Firstly, a physics-based feed-forward control method is proposed, explicitly modeling joint deformations, hydraulic weight compensation, and other relevant features. Nonlinear friction parameters are accurately identified using a globally optimized design of experiments. The resulting physics-based model is fully continuously differentiable, facilitating its transformation into a code-optimized flatness-based feed-forward control.
Secondly, a data-based feed-forward control approach is introduced, leveraging a continuous-time neural network. The continuous-time approach demonstrates enhanced model generalization capabilities even with limited data. Furthermore, a time domain normalization method is introduced, significantly improving numerical properties by concurrently normalizing measurement timelines, robot states, and state derivatives. Based on previous work, a method ensuring input-to-state and global-asymptotic stability is presented, employing a Lyapunov function. Model stability is enforced already during training using constrained optimization techniques. Moreover, the data-based methods are evaluated on public benchmarks, extending its applicability beyond the field of robotics.
Both the physics-based and data-based models are combined into a hybrid model. Comparative analysis of the three models reveals that the continuous-time neural network yields the highest model accuracy, while the physics-based model delivers the best safety properties. The effectiveness of all three models is experimentally validated using an industrial robot.
Die Interaktion zwischen Prozess, Werkzeug, Spindel und Maschine kann die erreichbare Bearbeitungsgenauigkeit spanender Bearbeitungsverfahren beeinflussen. Bei der spanenden Mikrobearbeitung sind die Größen- und Kraftverhältnisse zwischen Span, Werkzeug und Werkzeugmaschine im Vergleich zur spanenden Bearbeitung mit Werkzeuggrößen über einem Millimeter jedoch grundlegend unterschiedlich. Aufgrund dessen können dort gewonnene Erkenntnisse nicht ohne Weiteres für die spanende Mikrobearbeitung adaptiert werden. So gilt es für die spanende Mikrobearbeitung gesondert zu identifizieren, welche Effekte und Faktoren die erreichbare Bearbeitungsgenauigkeit beeinflussen. Die veränderten Größenverhältnisse, Eingriffsverhältnisse und eingesetzten Maschinenkomponenten erschweren jedoch eine experimentelle Untersuchung. Eine simulationsgestützte Analyse des Prozesses und der Maschinenkomponenten kann deshalb maßgeblich dazu beitragen, die Interaktion zwischen Prozess, Werkzeug, Spindel und Maschine bei der spanenden Mikrobearbeitung zu verstehen.
Diese Arbeit präsentiert simulationsgestützte Methoden zur Analyse der Interaktion zwischen Prozess, Werkzeug, Spindel und Maschine bei der spanenden Mikrobearbeitung. Darauf aufbauend werden die Interaktion zwischen Spindelwelle und Elektromotor sowie die Interaktion zwischen Prozess, Werkzeug, Spindel und Maschine für das Mikrofräsen und Mikroschleifen untersucht. Zwischen der Spindelwelle und dem Elektromotor kann keine Interaktion identifiziert werden. Stattdessen liegt ein nicht vernachlässigbarer unidirektionaler Einfluss des Elektromotors auf die Spindelwelle vor. Ebenso konnte eine unidirektionale Beeinflussung des Werkzeugs durch die Werkzeugspindel ermittelt werden. Zwischen dem Prozess und dem Werkzeug kommt es zu einer Interaktion. Jedoch beschränkt sich diese Interaktion auf das Werkzeug, das heißt, die Spindelwelle wird nicht vom Werkzeug beeinflusst. Insgesamt zeigt sich, dass bei der spanenden Mikrobearbeitung nicht nur die Auftrennung der Werkzeugmaschine und des Spindel-Werkzeug-Systems zweckmäßig ist, sondern dass auch das Werkzeug und die Werkzeugspindel als separate Aspekte betrachtet werden müssen.
Die funktionale Wechselwirkung zwischen geometrischen Oberflächeneigenschaften und dem daraus resultierenden Haftreibwert wird in der vorliegenden Arbeit anhand von mechanisch bearbeiteten Stahloberflächen untersucht. Dabei wird der Fokus neben einer umfangreichen Analyse der Einflussfaktoren auf die Oberflächencharakterisierung gelegt. Basierend auf Drückversuchen und der Untersuchung der Oberflächendeformation wird eine Methode zur funktional relevanten Beschreibung der Oberfläche entwickelt. Die am Haftreibwert beteiligten Oberflächenanteile sind durch die Parameter Inselanzahl, projizierte Durchschnittsoberfläche und Durchschnittsmaterialvolumen beschrieben. Diese Kenngrößen fließen in eine mathema-tische Berechnung eines theoretischen Haftreibwertes ein. Es werden der theoretisch errech-nete und der aus einer statistischen Versuchsreihe ermittelte Haftreibwert miteinander vergli-chen. Statistische Untersuchungen sowie die Aufstellung eines Messunsicherheitsbilanz stüt-zen die Forschungsergebnisse. Damit leistet diese Arbeit nicht nur einen Beitrag zur funktion-sorientierten Oberflächenbeschreibung, sondern auch zur methodischen Korrelations-/ Re-gressionsanalyse und zur Integration geometrischer Oberflächenparameter in Haftreibwert-untersuchungen.
A new class of amines that are promising solvents for reactive CO2-absorption processes was thoroughly investigated in a comprehensive experimental study. The amines are all derivatives of triacetoneamine and differ only in the substituent of the triacetoneamine ring structure. These amines are abbreviated by the acronym EvA with a consecutive number that designates the derivatives. About 50 EvAs were considered in the present study, from which 26 were actually synthesized and investigated as aqueous solvents. The investigated properties were: solubility of CO2, rate of absorption of CO2, liquidliquid and solid-liquid equilibrium, speciation (qualitative and quantitative), pK-values, pH-values, foaming behavior, density, dynamic viscosity, vapor pressure, and liquid heat capacity. All 26 EvAs were assessed in an experimental screening. The results were compared with the results of two standard solvents from industry: aqueous solvents of monoethanolamine (MEA) and a solvent blend of methyl-diethanolamine and piperazine (MDEA/PZ). Detailed studies were carried out for two EvAs that revealed significantly improved performance compared to MEA and MDEA/PZ: EvA34 combines favorable properties of MEA and MDEA/PZ in one molecule. EvA25 reveals a liquid-liquid phase split that reduces the solubility of CO2 in the solvent and shifts the CO2 into the aqueous phase. This allowed the design of a new CO2-absorption process, that takes advantage of the liquid-liquid phase split. Finally, the chemical speciation in 16 EvAs was investigated by NMR spectroscopy. From the results, relationships between the chemical structure of the EvAs and the observed speciation, basicity, and application properties were established. This enabled giving guidelines for the design of new amines and proposing new types of amines, which were called ADAMs.
This thesis aims to establish a transient electro-thermomechanical model capable of characterizing the shape-morphing capabilities of shape memory alloy hybrid composites (SMAHCs). The particular SMAHC type examined in this study comprises a rigid substrate, a soft interlayer, and SMA wires sewed on top. The model was synthesized from the bottom up using well-established equations, methodologies, and solution procedures, taking into account appropriate simplifications and assumptions. The implementation was done with open-source solutions to ensure free availability. The model extends existing models to include aspects of external influences so that, for example, the efficiency and dynamics of the SMAHC can be predicted as a function of external mechanical loads and different ambient temperatures. Inputs to the model include geometric and material design factors and Joule’s heat and ambient conditions, while outputs include the SMAHC’s deflection, load-carrying capacities, bandwidth, and energy consumption. Individual components of the SMAHC were characterized to create simulation input parameters, and methodologies for characterization were devised. The thermomechanical and electro-thermomechanical model was validated by comparing experimental and simulated data. Regardless of the various assumptions and simplifications, the findings demonstrate that the transient deformation behavior during the electrically induced thermal activation of a SMAHC at room temperature and external loads of less than 19.2 N can be predicted with variations of less than 20 percent. With increasing mechanical stresses in the shape memory alloy attributable to external loads or rigid substrates and temperatures above the austenite start temperature or below -10°C, the model’s applicability may become unreasonable.
Thermoplastische Faserkunststoffverbunde (TP-FKV) werden aufgrund ihres Leichtbaupotentials zusammen mit Metallen vermehrt in Multimaterialstrukturen eingesetzt [1, 2]. Der Einsatz TP-FKV ermöglicht das thermische Fügen, wobei die Benetzung der Metalloberfläche mit Polymer und hierdurch die Zug-Scher-Festigkeit der Verbindung mit steigendem Fügeweg ebenfalls ansteigt. Im Rahmen der Arbeit wurde der Fügeweg als Indikator für eine qualitätsgesicherte Fügung mittels induktiver Erwärmung validiert.
Der Fügeweg wird maßgeblich durch die Fügetemperatur, den Fügedruck und die verwendeten Materialien bestimmt. Um den im Prozess gemessenen Fügeweg als Qualitätssicherungsmerkmal nutzen zu können sind bei der Beurteilung der Messkurven auch mechanische und insbesondere thermische Dehnungen zu berücksichtigen. Diese Einflüsse konnten durch analytische Methoden erfasst, bewertet und bei der Beurteilung des Fügeweges entsprechend herausgerechnet werden.
Zur quantitativen Bewertung wurden TP-FKV/Stahl-Verbindungen durch induktives Fügen hergestellt und der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Prozessparameter, Witterung und Wechsellasten auf die Verbindungsfestigkeit untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass für alle untersuchten TP-FKV in Kombination mit einer laserstrukturierten Stahloberfläche Verbindungsfestigkeiten im Bereich von Referenzklebungen erreicht wurden. Durch den Einsatz von für das jeweilige Matrixpolymer optimierten Haftvermittlern auf den Stahloberflächen konnten ebenfalls gute Verbindungsfestigkeiten erreicht werden. Das Schädigungsverhalten der TP-FKV/Stahl-Verbindung nach Bewitterung beziehungsweise Wechsellasten wurde anhand von Schliffbildanalysen und Simulationen analysiert. Die Arbeit schließt mit der Implementierung des induktiven Fügens in eine Fertigungszelle.
Eine große Untergruppe der Soft Robotik sind die mehrkammerigen pneumatischen Biegeaktuatoren.Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung dieser Art Aktuatoren mittels eines Balkenmodells und arbeitet speziell die Vorteile heraus, die sich aus einer Berücksichtigung der wechselseitigen Abhängigkeiten von Design und Modellierung ergeben. Die Verwendung eines Balkenmodells ist numerisch deutlich effizienter als die Simulation eines dreidimensionalen Körpers, trotzdem werden die Freiheitsgrade axiale Dehnung, Biegung, Scherung und Torsion vom verwendeten Cosserat-Balken berücksichtigt. Zunächst wird ein sinnvolles Design für mehrkammerige
Biegeaktuatoren durch systematische Untersuchung von Designaspekten und unter Berücksichtigung von Aspekten der Modellierung hergeleitet. Zur Modellierung der einzelnen Kammern des Biegeaktuators wird ein Ansatz mittels des Prinzips der virtuellen Arbeit gewählt. Das resultierende Modell erlaubt insbesondere Rückschlüsse auf die Sensitivität der Kammern gegenüber externen axialen Kräften. Dies ist ein wichtiger Aspekt, der bei der Modellierung des mehrkammerigen Biegeaktuators mittels Cosserat-Balken aufgegriffen wird. Dieses Modell wiederum nutzt das besonders gut zu modellierende Design des Aktuators, um einen Zusammenhang zwischen Dehn- und Biegesteifigkeit herzustellen, der, im Gegensatz zu bisherigen Modellen, auch Rücksicht auf die axiale Dehnung des Aktuators nimmt. So lassen sich dreidimensionale Simulationen einzig auf Grundlage axialer Parameteridentifikation durchführen. Die in dieser Arbeit hergeleiteten Zusammenhänge zwischen Design und Modellierung und die daraus entwickelten Methoden sind eine wichtige Grundlage für komplexere Anwendungen in der Zukunft.