620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
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Automation, Industry 4.0 and artificial intelligence are playing an increasingly central role for companies. Artificial intelligence in particular is currently enabling new methods to achieve a higher level of automation. However, machine learning methods are usually particularly lucrative when a lot of data can be easily collected and patterns can be learned with the help of this data. In the field of metrology, this can prove difficult depending on the area of work. Particularly for micrometer-scale measurements, measurement data often involves a lot of time, effort, patience, and money, so measurement data is not readily available. This raises the question of how meaningfully machine learning approaches can be applied to different domains of measurement tasks, especially in comparison to current solution approaches that use model-based methods. This thesis addresses this question by taking a closer look at two research areas in metrology, micro lead determination and reconstruction. Methods for micro lead determination are presented that determine texture and tool axis with high accuracy. The methods are based on signal processing, classical optimization and machine learning. In the second research area, reconstructions for cutting edges are considered in detail. The reconstruction methods here are based on the robust Gaussian filter and deep neural networks, more specifically autoencoders. All results on micro lead and reconstruction are compared and contrasted in this thesis, and the applicability of the different approaches is evaluated.
Additive Fertigungsverfahren zeichnen sich durch eine hohe erreichbare Komplexität der zu erzeugenden Geometrien, bei gleichzeitig kaum steigendem Fertigungsaufwand, aus. Dies wird durch den schichtweisen Aufbau additiver Fertigungsverfahren erreicht, bei dem die zu fertigende Geometrie zunächst in einzelne Bauteilquerschnitte aufgeteilt und anschließend durch Fügen dieser Querschnitte aufgebaut wird. Ein etabliertes additives Fertigungsverfahren ist das selektive Laserschmelzen, bei dem die zu erzeugende Geometrie durch Aufschmelzen von Metallpulver mittels eines Lasers in einem Pulverbett erzeugt wird. Die durch selektives Laserschmelzen generierten Oberflächen müssen zur Erzeugung von Funktionsflächen spanend endbearbeitet werden, wobei die charakteristische Anisotropie additiv erzeugter Werkstoffe berücksichtigt werden muss. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Wirkmechanismen additiv-subtraktiver Prozessketten bei der spanenden Bearbeitung von Edelstahl 1.4404, wobei zunächst beide Prozesskettenteile getrennt voneinander analysiert werden. Es werden unterschiedliche Wirkzusammenhänge der Prozessparameter der additiven Fertigung und Pulvereigenschaften auf den erzeugten Werkstoff identifizert. Weiter werden durch den Einsatz des Mikrofräsens als Bearbeitungsverfahren (Werkzeugdurchmesser < 50 µm) Wechselwirkungen zwischen anisotropem Werkstoff sowie Prozess- und Prozessergebnisgrößen der spanenden Bearbeitung besonders deutlich. Die Untersuchungen ergaben, dass prozesskettenübergreifende Wirkmechanismen zwischen additiven und subtraktiven Prozesskettenteilen beim selektiven Laserschmelzen und Mikrofräsen von Edelstahl 1.4404 bestehen.
Die induktive Erwärmung stellt insbesondere aufgrund der schnellen intrinsischen Erwärmung eine Schlüsseltechnologie für die zunehmende industrielle Anwendung von textilverstärkten CFK-Organoblechen dar. Allerdings kann deren großes Potenti-al nicht vollständig ausgeschöpft werden, da sich bei konventionellen CFK-Organoblechen über der Laminatdicke physikalisch bedingt eine mit zunehmendem Abstand zum Induktor abfallende Temperaturkurve ergibt. Speziell für CFK-Organobleche bestehend aus textilen Verstärkungshalbzeugen wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst der Einfluss der Textil- und Laminatparameter grundlegend untersucht. Zusätzlich wurde ein analytisches Modell in Form eines elektrischen Er-satzschaubilds einer im CFK-Organoblech vorliegenden Leiterschleife entwickelt, an-hand dessen der dominierende Heizmechanismus identifiziert werden kann. Ab-schließend wurde basierend auf den zuvor gewonnenen Erkenntnissen ein speziell für das kontinuierliche Induktionsschweißen angepasster Laminataufbau entwickelt und validiert.
The aim of current research on internal combustion engines is to further reduce exhaust gas pollutant emissions while simultaneously lowering carbon dioxide emissions in order to limit the greenhouse effect. Due to the restricted potential for reducing CO2 (carbon dioxide) emissions when using fossil fuels, an extensive defossilisation of the transport sector is necessary. Investigations of future propulsion systems should therefore not focus solely on further development of the prime mover, but also on the energy carrier which is used. In this context, fuels from renewable energy sources are of particular interest, e.g. paraffinic diesel fuels such as hydrogenated vegetable oil (HVO) or potentially entirely synthetic fuels like POMDME (polyoxymethylene dimethyl ether, short: OME) as well as blends of such fuels. If renewable energy is used for fuel production, the current disadvantage of fossil energy carriers regarding CO2 production is eliminated, while at the same time further advantages can be exploited through lower pollutant emissions compared to conventional fuels. As an example, soot emissions can be significantly reduced with both of the above-mentioned alternative fuels in comparison to diesel. When using OME without additional blend components, the soot-NOx (nitrogen oxides) trade-off is no longer relevant as combustion is almost soot free.
However, further research and development is required, particularly with regard to the identification of suitable fuels (e.g. concerning emission reduction potential, suitability as a fuel for mobile applications and availability) and with respect to the optimization of the combustion process for the corresponding fuels. Within the framework of a joint funded project, OME and blends of HVO and OME are investigated in a single-cylinder research engine. The different fuel blend combinations are systematically compared with respect to the experimental results, and the most promising combinations for an ultra-low emission concept based on such fuel blends will be determined.
New engine concepts such as Miller, HCCI or highly diluted combustion offer great potential for further optimization of ICEs in terms of fuel economy and pollutant emissions. However, the development of such concepts requires a high degree of variability in the control of gas exchange, characterized by variability in valve spread, maximum valve lift and – ideally independent of these two variables – in valve opening time. In current series variable valvetrains, valve lift and opening duration are usually directly dependent one from the other. In the ideal case, however, engine concepts such as Miller require a fully flexible variation of the closing time of the intake valve while still maintaining the same intake opening time. Here, a methodology for the geometric layout of fully variable valve trains with significantly extended functionalities is presented. In this concept, the control of the valve opening and closing events is distributed to two synchronously rotating cam disks. This geometric separation allows to vary the valve opening duration at constant maximum valve lift by varying the phase offset between the two disks. On the other hand, the geometric properties of the system can be used to vary the maximum valve lift at the constant valve opening and/or valve closing (depending on the layout), as well as for switching additional valve events on or off.
The methodology presented here includes the computer-aided and partially automated generation of the characteristic geometric features of the system and the kinematic simulation and evaluation of the concept. By kinematic simulation, various possible resulting valve lift curves can be evaluated and optimized by adapting the geometry and the motion rules. The subsequent investigations on a component test bench serve to assess the newly developed concept with respect to functionality, required drive torque, stiffness and speed capability, thus proving its technical feasibility.
The use of vegetable oil as a fuel for agricultural and forestry vehicles allows a CO2 reduction of up to 60 %. On the other hand, the availability of vegetable oil is limited, and price competitiveness depends heavily on the respective oil price. In order to reduce the dependence on the availability of specific fuels, the joint research project “MuSt5-Trak” (Multi-Fuel EU Stage 5 Tractor) aims at developing a prototype tractor capable of running on arbitrary mixtures of diesel and rapeseed oil.
Depending on the fuel mixture used, the engine parameters need to be adapted to the respective operating conditions. For this purpose, it is necessary to detect the composition of the fuel mixture and the fuel quality. Regardless of the available fuel mixture, all functions for regular engine operation must be maintained. A conventional active regeneration of the diesel particulate filter (DPF) cannot be carried out because rapeseed oil has a flash point of 230°C, compared to 80°C for diesel fuel. This leads to a condensation of rapeseed oil while using post-injection at low and medium part load operating points, which causes a dilution of the engine oil.
In this work, engine-internal measures for achieving DPF regeneration with rapeseed oil and mixtures of diesel fuel and rapeseed oil are investigated. In order to provide stationary operating conditions in real engine operation, a “high-idle” operating point is chosen. The fuel mixtures are examined with regard to compatibility concerning a reduction of the air-fuel ratio, late combustion phasing and multiple injections. The highest temperatures are expected from a combination of these control options. After the completion of a regeneration cycle, the fuel input into the engine oil is controlled. These investigations will serve as a basis for the subsequent development of more complex regeneration strategies for close-to-reality engine operating cycles with varying load conditions.
Bei der Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) kommen unterschiedlichste Faser-, Kunststoff- sowie Faser/Kunststoff-Halbzeuge zum Einsatz. Diese weisen oft sehr komplexe Verarbeitungseigenschaften auf, die bei der Prozessentwicklung eine besondere Herausforderung darstellen. Ein typisches Beispiel ist die Verfahrensgruppe der Flüssigimprägnierverfahren, bei denen eine endkonturnahe Faserstruktur mit einem Harzsystem imprägniert wird. Eine den Prozessverlauf maßgeblich bestimmende Verarbeitungseigenschaft der Faserstruktur ist hierbei die Permeabilität. Sie quantifiziert die Durchlässigkeit der Faserstruktur für die fluide Strömung und resultiert aus einer Vielzahl an interdependenten Einflüssen, wie z. B. einer inhomogenen Porosität mit extrem variierenden Fließkanaldurchmessern, lokalen Strukturvariationen, einer hohen Deformierbarkeit sowie Kapillarkräften.
Wissensgenerierung durch Grundlagenforschung zu einer einzelnen prozesskritischen Verarbeitungseigenschaft (wie der Permeabilität), stellt eine ideale Grundlage für die ganzheitliche, also sowohl die Prozess- und Anlagentechnik als auch die Materialien umfassende, Prozessentwicklung der jeweils betrachteten Verfahren/Verfahrensgruppe (z. B. Flüssigimprägnierverfahren) dar. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit eine mehrstufige, in sich geschlossene Forschungsmethodik definiert, die zur kontinuierlichen Weiterentwicklung des betrachteten Herstell-verfahrens sowie der eingesetzten Anlagen, Werkzeuge und Materialien geeignet ist. Anhand von Forschungsarbeiten zum Anwendungsbeispiel der Flüssigimprägnierverfahren bzw. der Permeabilität wird gezeigt, wie die Methodik umgesetzt werden kann: Der erste Schritt besteht in der Entwicklung von Methoden und Technologien, um Einflüsse auf die Permeabilität reproduzierbar zu erzeugen und die Auswirkungen untersuchen zu können. Anschließend folgen Parameterstudien zu Einflüssen auf die Permeabilität und die gewonnenen Erkenntnisse werden dann zu Richtlinien aggregiert. Anhand der Richtlinien können Materialien, Prozesse und Messtechnologien auf einen Anwendungsfall hin optimiert werden. Schließlich, werden über den Erkenntnisgewinn grundlegend neue Technologien entwickelt, woraus sich wiederum neue Aufgaben für die erste Stufe der Methodik ergeben.
Flächenhafte Kalibriernormale dienen zur Kalibrierung und Justierung von flächenhaft messenden Topographiemessgeräten und ermöglichen die Abschätzung der Messunsicherheit und die Rückführung der gemessenen Länge zur Basiseinheit. Es existieren hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität von Kalibriernormalen. Da in der Norm DIN EN ISO 25178-70 kein Fertigungsverfahren zur Herstellung von flächenhaften Kalibriernormalen vorgeschrieben ist, wurden bisher unterschiedliche Verfahren angewandt. Mikrofräsen ist ein sehr flexibles Herstellungsverfahren, welches hohe Maßhaltigkeiten und Oberflächengüten auf der Mikroskala ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Mikrofräsprozess zur Herstellung der Kalibriernormale mittels Kugelfräsern ausgelegt. Dazu wurden experimentelle als auch simulative Versuche durchgeführt und wichtige Einflussgrößen auf das Prozessergebnis zunächst identifiziert und anschließend entsprechend definiert. Nachdem zuerst flächenhafte Kalibriernormale, welche bereits genormte Kalibrierstrukturen aufweisen, gefertigt wurden, wurde der Mikrofräsprozess anschließend auch auf neuartige Kalibrierstrukturen basierend auf realen Bauteiloberflächen angewandt. Für alle gefertigten Kalibrierstrukturen lagen die Abweichungen von den Soll-Kennwerten nach der entsprechenden Prozessanpassung im einstelligen bis niedrig zweistelligen Nanometerbereich. Die Wiederholbarkeit bei der Fertigung der Kalibrierstrukturen lag in der gleichen Größenordnung. Mit dem ausgelegten Fräsprozess können die hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität der Kalibriernormale erfüllt werden.
Die Bedeutung und Nachfrage an der Holz-Beton-Verbundbauweise nimmt
aufgrund einer Vielzahl an Vorteilen gegenüber dem reinen Holzund
Stahlbetonbau immer weiter zu. Die Bemessung von Holz-Beton-
Verbundkonstruktionen ist aktuell nicht normativ geregelt, sondern wird auf
der Grundlage von bauaufsichtlichen Zulassungen und Bauartgenehmigungen
durchgeführt. Dabei kommen die unterschiedlichsten Typen an Verbindungsmitteln
zum Einsatz, wie beispielsweise stiftförmige Verbindungsmittel
und Kerven. Kontinuierliche Verbindungsmittel wie die Verbunddübelleiste
im Stahl-Beton-Verbundbau wurden bisher nicht im Holz-Beton-
Verbundbau verwendet. Verbunddübelleisten haben sich als sehr leistungsfähige
Verbundmittel mit einer hohen Tragfähigkeit und einfacher Herstellung
herausgestellt, deren Bemessung in der AbZ Z-26.4-56 2018 geregelt
ist. Zur Entwicklung eines Bemessungskonzeptes für ein den Verbunddübelleisten
ähnliches Verbundmittel für den Holz-Beton-Verbundbau sind klassischer
Weise experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der Tragfähigkeit
durchzuführen. Neben den oftmals zeitaufwendigen und kostenintensiven
Versuchen haben viele Untersuchungen an verschiedensten Verbundmitteln
gezeigt, dass sich numerische Untersuchungen in Form von Finite-
Elemente-Modellen dafür eignen das Tragverhalten abzubilden und die erforderliche
Anzahl an Versuchen zur Abdeckung der verschiedenen Parameter
zu reduzieren.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein kontinuierliches Verbundmittel für die
Holz-Beton-Verbundbauweise entwickelt und es wurde mittels experimenteller
und numerischer Untersuchungen ein Bemessungskonzept erarbeitet.
Zur Beschreibung des Trag- und Verformungsverhaltens wurden Versuche
unter Längsschub- und Zugbeanspruchung durchgeführt. Anhand dieser
Versuche konnten Finite-Elemente-Modelle kalibriert werden und darauf aufbauend
numerische Untersuchungen zum Tragverhalten unter kombinierter
Zug- und Schubbeanspruchung durchgeführt werden. Da viele numerische
Untersuchungen an Verbundmitteln in der Vergangenheit eine hohe Sensibilität
bei der Variation der Materialparameter der Betonmodelle gezeigt
haben, wurde eine separate Untersuchung zu den Besonderheiten von Verbundmitteln
im Beton bei der numerischen Simulation herausgearbeitet und
entsprechende Lösungsansätze gegeben. Auf Grundlage der experimentellen
und numerischen Untersuchungen konnten die für das neue Verbundmittel
spezifischen Tragmechanismen identifiziert, in einem abschließenden
Trägerversuch bestätigt und in ein Bemessungsmodell überführt werden.
Durch den kombinierten Einsatz von experimentellen und numerischen
Untersuchungen konnte das Tragverhalten des neuen Holz-Beton-
Verbundsystems umfassend beschrieben und ein für die Praxis anwendbares
Bemessungskonzept entwickelt werden. Diese Arbeit soll damit neben dem
Bemessungskonzept einen Beitrag für die Anwendung numerischer Verfahren
bei der Untersuchung des Tragverhaltens von Verbundmitteln im Beton
leisten.
Infobrief FBK 66/22
(2022)