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In diesem Beitrag wird Einblick in die Produktentwicklung einer neuartigen Faserverbundantriebswelle in Leichtbauweise gegeben. Durch eine hybride Bauweise aus Faserverbundkunststoffen und technischen Elastomeren wird die Spannungsführung in den lasttragenden Faserverbundbereichen optimiert. Über die bauartbedingte Funktionsintegration von Verlagerungskapazitäten sowie einer hohen Torsionselastizität, bildet die Antriebswelle zudem integrativ Eigenschaften elastischer Kupplungen ab. Dies ermöglicht die Reduktion des Bauraums, der Komponentenanzahl und der Masse des gesamten Antriebsstrangsystems. Der Einsatz der neuartigen Hybridmaterialarchitektur stellt die Produktentwicklung jedoch vor neue Herausforderungen. Insbesondere das Stabilitäts- und Langzeitverhalten wurde bislang nicht umfassend erforscht. Dieser Beitrag stellt die Technologieentwicklung auf Basis von anwendungsgerechten Simulations- und Prüfmethoden vor. Der Fokus liegt auf der experimentellen Konzeptvalidierung, welche durch den Einsatz von optischer Deformationsmesstechnik unterstützt wurde. An Funktionsprototypen wurden Torsionssteifigkeiten und das Stabilitätsverhalten unter hohen Lasten gemessen und Simulationsergebnissen gegenübergestellt. Weiterhin wurde das Langzeit- und Ermüdungsverhalten untersucht, um die Material- und Bauteileigenschaften unter hohen statischen und zyklischen Lasten zu charakterisieren. Aus den Versuchsergebnissen wurden Potenziale in der Produktentwicklung sowie in der Prüftechnik identifiziert.

In dieser Arbeit wird eine Methode zur Prognose der resultierenden Zahnstangenkräfte für das Manöver „Parkieren im Stand“ entwickelt. Die bei diesem Manöver auftretenden Kräfte bestimmen die Wahl des Lenkkonzepts, die mechanische Dimensionierung der Zahnstange sowie die Auslegung des Power Packs. Dazu müssen bereits in der frühen Entwicklungsphase exakte, virtuelle Prognosen der auftretenden Zahnstangenkraft erstellt werden. Mit Hilfe von Fahrzeug-, Achskomponenten- und Reifenmessungen werden die Wirkzusammenhänge beim Manöver „Parkieren im Stand“ mit verschiedenen Einflüssen aufgezeigt. Dazu zählen die Untersuchung des Einflusses der Radlast, des Reifenfülldrucks, des Achskonzepts, der Achskomponenten, der Reifenart und -dimension sowie der der Bodendruckverteilung. Durch die Industrialisierung eines Reifenprüfstands mit einer neuen Messprozedur wird die Messstreuung von Reifenmessungen von ± 18 % auf ± 3 % reduziert. Damit kann zuverlässig der Reifen aus einem Portfolio identifiziert werden, welcher die höchsten Zahnstangenkräfte im Fahrzeug erzeugt. Mit einer Erweiterung der Prüfspezifikation zur Vermessung von Reifenkräften und -momenten mit radbezogenem Sturzwinkel sowie weiteren Messungen der Reifeneigenschaften, wird eine Korrelation zwischen Reifenverhalten und Zahnstangenkraft gezeigt. Bei Erkenntnisübertrag der Reproduzierbarkeitsuntersuchungen auf Gesamtfahrzeugebene lässt sich die Messstreuung von ± 8 % auf ± 1,5 % reduzieren. Die Arbeit umfasst zudem die virtuelle Nachbildung der Prüfstandssituationen. Mittels simulativer Analyse werden Modell-Optimierungspotentiale einzelner Komponenten quantifiziert. Durch eine parkierspezifische Parametrierung der Reifenmodelle, reproduzierbareren Bedatungsgrößen sowie Modellerweiterungen werden Verbesserungen der Modellgüten des FTires, des SupERRB Tires und des MF-Swifts erzielt. Ein Reifenmodellbenchmark gibt darüber Aufschluss, welches Reifenmodell sich am besten für eine Prognose eignet. Mit der Entwicklung eines dreidimensionalen Reibungselementes, wird Kugelgelenkreibung in die virtuellen Achsmodelle integriert, wodurch die Simulationsgüte weiter gesteigert wird. Durch die gewonnenen Erkenntnisse sowie Modellierungs- und Methodenverbesserungen, wird eine neue Methode illustriert, die eine Verbesserung der Prognose der Zahnstangenkraft gegenüber der bestehenden Methode aufweist. So wird die durchschnittliche Abweichung der Prognose von 10,5 % auf 3,1 % reduziert. Abschließend wird ein vereinfachtes, mathematisches Modell entwickelt, mit Hilfe dessen die Zahnstangenkraft, ohne komplexes MKS- und Reifenmodell, simuliert werden kann. Die Ergebnisse zeigen eine geringe Abweichung gegenüber Messungen auf., In this work, a method is developed for predicting the resulting rack forces for the "static parking maneuver". The forces occurring during this maneuver determine the choice of the steering concept, the mechanical dimensioning of the steering rack, and the design of the power pack. For this purpose, an exact virtual forecast of the occurring rack force must be made in the early development phase. Using vehicle, axle component and tire measurements, the cause-effect relationships during the parking maneuver are shown with various influences. These include the investigation of the influence of wheel load, tire inflation pressure, axle concept, axle components, tire type and dimension and ground pressure distribution. The industrialization of a tire test rig with a new measurement procedure reduces the scatter of tire measurements from ± 18% to ± 3%. This enables the reliable identification of the tire from a portfolio that generates the highest rack forces in the vehicle. With an extension of the test specification to measure tire forces and torques with wheel-related camber angle, as well as further measurements of tire properties, a correlation between tire behavior and rack force is demonstrated. With knowledge transfer of the reproducibility tests to the overall vehicle level, the measurement scatter can be reduced from ± 8 % to ± 1.5 %. The work also includes the virtual replication of the test bench situations. Using simulative analysis, model optimization potentials of individual components are quantified. Improvements in the model performance of the FTire, SupERRB Tire and MF-Swift are achieved through parking-specific parameterization of the tire models, more reproducible parameterization input variables and model extensions. A tire model benchmark provides information which tire model is best suited for a prediction of the steering rack forces during parking. With the development of a three-dimensional friction element, ball joint friction is integrated into the virtual axle models, further increasing the simulation quality. Based on the knowledge gained, as well as modeling and method improvements, a new method is illustrated that shows an improvement in the prediction of the steering rack force compared to the existing method. Thus, the average forecast deviation is reduced from 10.5 % to 3.1 %. Finally, a simplified mathematical model is developed that can be used to simulate the steering rack force, without a complex MBS and tire model. The results show a small deviation compared to measurements.

Die Notwendigkeit des Toleranzmanagements ist in den prinzipiell unvermeidbaren Abweichungen von imperfekten Fertigungs‐ und Montageprozessen begründet. Aus jedem Schritt der Produktentstehung resultiert eine allgegenwärtige Abweichung vom Ideal. Diese gilt es über die gesamte Produktlebensphase, angefangen von den ersten Ideen und der Auswahl des Produktkonzepts über die Herstellung und Montage bis hin zur Nutzung, zu berücksichtigen. Das Toleranzmanagement ist dabei der Schlüssel zur Vermeidung abweichungsbedingter Probleme und stellt seit knapp 35 Jahren mit seinen unterschiedlichen Facetten einen zentralen Pfeiler der Forschungs‐ und Lehrtätigkeiten des Lehrstuhls für Konstruktionstechnik (KTmfk) dar. Neben nationalen und internationalen Kooperationen mit Universitäten und Unternehmen, werden in unterschiedlichen Lehrveranstaltungen verschiedene Aspekte des Toleranzmanagements beleuchtet. Motiviert durch den regen Austausch mit Industrievertreter/‐innen, die eine höhere Präsenz des Themas „Toleranzen“ für den Nachwuchs an deutschen Hochschulen wünschten, wurde im Jahr 2013 die erste Summer School Toleranzmanagement durch den KTmfk organisiert und durchgeführt. Wie auch in den vergangenen Ausgaben der Summer School Toleranzmanagement liegt der Fokus der Veranstaltung darauf, den Nachwuchs für das Toleranzmanagement zu begeistern, die direkte und offene Kommunikation zu fördern und neue Kontakte zu knüpfen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird interessierten Personen ein Einblick in unterschiedliche Problemstellungen und Vorgehensweisen aus der Praxis ermöglicht. Außerdem wird Student/‐innen, Wissenschaftler/‐innen und Industrievertreter/‐innen eine Plattform geboten, sich über Methoden und Werkzeuge des virtuellen Toleranzmanagements auszutauschen. Der Sammelband beinhaltet die im Rahmen der Veranstaltung präsentierten, verschriftlichten Beiträge aus Industrie und Forschung mit dem diesjährigen Fokus auf „Digitalisierung und datengetriebene Absicherungsmethoden“ im Kontext des Toleranzmanagements. Dabei werden sowohl Ansätze aus industriellen Anwendungen als auch neue Forschungsaktivitäten vorgestellt., The necessity of dimensional management is the consequence of unavoidable deviations, which occur in the manufacturing and assembly processes. These must be taken into account throughout the entire product life cycle, starting with the initial ideas and the selection of the product concept, through manufacturing and assembly, to usage. Dimensional management is the key to avoiding deviation-related problems and has been a central pillar of the research and teaching activities of the Chair of Engineering Design (KTmfk) for almost 35 years. In addition to national and international cooperation with universities and companies, various aspects of dimensional management are taught in different lectures. Motivated by the lively exchange with industry representatives who wanted a higher presence of the topic "tolerances" for the young generation at German universities, the first Summer School Toleranzmanagement was organized and hosted by the KTmfk in 2013. As in the previous editions of the Summer School Toleranzmanagement, the focus of the event is to get young academics interested in dimensional management, to promote direct and open communication and to establish new contacts. In order to achieve this goal, the participants are given an insight into different problems and approaches from practice. Additionally, students, researchers and industry representatives will be offered a platform to exchange information about methods and tools of virtual dimensional management. The proceedings contain the written contributions from industry and research presented at the event, with this year's focus on "Digitalization and Data-Driven Assurance Methods" in the context of dimensional management. Approaches from industrial applications as well as new research activities are presented.

Numerical methods are significant in the turbomachine design process and off-design analysis. One of these methods is the through-flow method in the meridional plane, which is utilised in an early design phase. It provides robust and quick numerical analysis of turbomachinery by only giving a few characteristic geometric parameters. This work further develops the through-flow program tFlow by incorporating real gas equation of state (EOS), in order to verify the application of real gas EOS with the through-flow method. This allows the program to support a more reliable calculation regarding, for instance, carbon dioxide (CO2) in a high-pressure region, where the gas does not behave like an ideal gas. The program is verified against one-dimensional (1D) solutions for the flow through a converging-diverging nozzle at different flow conditions. Furthermore, the calculation results verify the application of the Jameson-Schmidt-Turkel (JST) scheme in terms of real gas EOS. Consequently, this development brings the possibility to employ tFlow in a broader range, for example, for supercritical CO2 (sCO2) compressors or turbines., Conference Proceedings of the European sCO2 Conference5th European sCO2 Conference for Energy Systems: March 14-16, 2023, Prague, Czech Republic, p. 58

A data-driven system identification approach was developed to identify the hydrodynamic coefficients of a mathematical maneuvering model. The method, developed primarily for use in the context of autonomous shipping, solved the ship motion equations using measurements from free-running model tests, whereby an efficient recently developed Euler equation-based numerical approach determined the zero-frequency added masses. The method is simple and robust and incorporates the physical properties of hydrodynamic forces to enforce a physically realistic solution. The method was verified and validated with free-running maneuver tests. The predicted ship kinematics and trajectories compared favorably with the measurements. The potential of the method was demonstrated.

Spray flame synthesis is an important technique for the production of metal oxide nanoparticles. Micro-explosions of the burning and evaporating droplet are an important breakup mechanism that is usually necessary in order to achieve a homogeneous product quality. There is an ongoing debate on the causes of these micro-explosions. With the present simulation study, we contribute to the clarification of this issue. Simulations of the evaporation of droplets of titanium (IV) isopropoxide (TTIP) dissolved in p-xylene, for which detailed information on thermophysical properties is available, are carried out for two scenarios representing single droplet combustion experiments and spray flame combustion, respectively. A one-dimensional model is developed, in which both the energy transport and the mass transport inside the droplet and the corresponding convective boundary conditions are considered. From the temperature and concentration profiles in the droplet, the superheating is calculated, considering the non-ideality of the liquid phase. The results show that superheating sets in inside the droplet. Hence, after reaching a certain threshold, a sudden evaporation will occur inside the droplet — and cause the micro-explosion. This effect is related to large values of the Lewis number, indicating that the heat conduction is much faster than the mass diffusion. As the Lewis number is not only large for the system studied here but also for other precursor solutions used in spray flame synthesis, the explanation of the observed micro-explosions is expected to hold in many cases.

Numerous catalysts have been reported with enhanced performance, e.g. longer lifetime and improved selectivity, for the electrochemical CO₂ reduction reaction (CO₂RR). Respectively little is, however, known about the influence of the electrode structuring and pre-treatment on this reaction for catalytic layers. Thus, we herein report on the modification of the catalyst environment of a Cu-ZnO-carbon black catalyst by variation of the ink composition and subsequent electrode treatment before performing CO₂RR. We furthermore provide insight into the impact of different solvents, ionomer, and additives like pore forming agents used for the ink preparation as well as post-treatment steps in terms of pressing and sintering of the generated electrodes on the CO₂RR performance. Although using the same catalyst for all electrodes, remarkable differences in hydrophobicity, surface morphology, and electrochemical performance with respect to stability and product distribution were observed. Our study reveals the critical role of the catalytic layer assembly aside from using proper catalysts. We furthermore show that the parasitic hydrogen formation and flooding behavior can be lowered and C₂₊ product formation can be enhanced when operating in optimized gas diffusion electrodes. CA extern

In der zweiten Phase der DFG-Forschungsgruppe FOR 2271 „Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden“ (FORTol) wurden Verfahren und Methoden der ganzheitlichen Vorgehensweise des prozessorientierten Toleranzmanagements um die Berücksichtigung des Produktbetriebs erweitert. Im Fokus stand hierbei die Integration von betriebsbedingtem Verschleiß. Durch die Kooperation von Lehrstühlen aus den Fachbereichen der Konstruktionstechnik, der technischen Mechanik, der Metrologie und der Fertigungstechnologie konnte ein fachbereichsübergreifendes Vorgehen zum prozess- und betriebsorientierten Toleranzmanagement erarbeitet werden. In diesem Abschlussbericht sind die wichtigsten Erkenntnisse und Ergebnisse aller Teilprojekte der Forschungsgruppe aufgeführt., In the second phase of the DFG research group FOR 2271 "process-oriented tolerance management based on virtual computer-aided engineering tools" (FORTol), procedures and methods for a holistic process-oriented tolerance management were expanded to include aspects of product operation. The focus was on the integration of operational wear. Through the cooperation of chairs from the departments of engineering design, applied mechanics, metrology and manufacturing technology, it was possible to develop an interdisciplinary approach for the process- and operation-oriented tolerance management. This report shows the most important findings and results of the research group.

Incomplete evaporation of liquid fuel films inside the combustion chamber is a major source of soot and particulate emissions in internal combustion engines. In this study, quantitative imaging of liquid fuel films on the cylinder wall is performed by laser-induced fluorescence (LIF) in a single cylinder engine with optical access to the cylinder liner. A four-component surrogate fuel mixed with 0.5% anisole as the fluorescent tracer was directly injected in a single injection into the motored engine. Fuel impinging on the cylinder wall is excited at 266 nm at kHz repetition rates and imaged by a high-speed camera coupled with an image intensifier. Simultaneously, lubricating oil doped with 0.01 mmol/l pyrromethene 567 is excited at 532 nm and imaged with a second camera. The fuel film thickness on the cylinder wall is compared for two different injections timings, 285 and 240°CA before top-dead center. The initial fuel film thickness is similar for both, but evaporation occurs faster for the later injection, such that the film thickness is similar at the time the piston rings reach the fuel films. When the rings scrape the fuel off the wall, it accumulates on top of the first piston ring and is partly transported downwards to the second and third ring. In the simultaneous oil image, washout of lubricating oil is seen.

In today's society, issues such as climate change and resource scarcity are of great importance. What can be done to mitigate climate impacts and make our world more environmentally friendly and innovative? Smart City is a term that has not yet been uniformly clarified. But it is clear that cities which are developed or built according to Smart City concepts are significantly more environmentally friendly, efficient and digitally positioned. Cologne is the fourth largest city in Germany and is a pioneer in topics such as the expansion of emission-free mobility, especially in public transport. In addition, several smart city projects that the city has carried out with cooperation partners are considered innovative projects with a promising future. However, there is a large amount of traffic in million inhabitants city, which repeatedly leads to concentrations of air pollutants that exceed the limit values. One key focus of the city is reducing traffic and thus reducing air pollutants at the same time. As part of its Green City Master Plan, numerous measures have been initiated that have successfully improved the air quality and reduced traffic. The first steps of a smart city development have been developed and implemented and will be further advanced in future. Cologne proved to be the ideal city for the thesis of this work: "Investigation of Smart City Concepts for the Improvement of emission-free Mobility - The Example of the City of Cologne".

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Within the Space@Sea project, a multi-use floating concept was proposed by following the analogy of standardization to enlarge a floating platform using a multitude of smaller structures. An operability analysis must be performed to identify its seakeeping criteria and how the criteria limit its functionality. A two-step strategy is proposed to calculate the responses of the target floating concept in head waves, where nonlinearities of the mooring lines and mechanical joints are taken into account. The weakly nonlinear time-domain procedure relies on a diffraction-radiation model in the frequency domain. The motions of floating bodies are solved in the time domain, in which nonlinear Froude-Krylov and hydrostatic forces are estimated under instantaneous incident wave surface. Multibody interactions are resolved under consideration of catenary mooring lines and hinged joints. Wave-induced motions and loads are expressed in terms of transfer function for determining the limiting criteria, including the translational and rotational motions velocities and accelerations; relative motions, velocities and accelerations between module floaters; mooring tensions; as well as hinge forces. Assessments are carried out for various sea conditions against the prescribed values, for the chosen criteria, to address safety issues due to sever platform responses. Different operational requirements for trained workers and untrained passengers of motions and accelerations are taken into consideration. Results show that rotational motions have a significant influence on the platform’s seakeeping performance. Nevertheless, the root mean square (RMS) value of vertical acceleration dominates the comfort of persons onboard, defining the final limiting criterion of the entire platform.

All-solid-state lithium batteries are promising candidates for next-generation energy storage systems. Their performance critically depends on the capacity and cycling stability of the cathodic layer. Cells with a garnet Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) electrolyte can show high areal storage capacity. However, they commonly suffer from performance degradation during cycling. For fully inorganic cells based on LiCoO₂ (LCO) as cathode active material and LLZO, the electrochemically induced interface amorphization has been identified as an origin of the performance degradation. This study shows that the amorphized interface can be recrystallized by thermal recovery (annealing) with nearly full restoration of the cell performance. The structural and chemical changes at the LCO/LLZO heterointerface associated with degradation and recovery were analyzed in detail and justified by thermodynamic modeling. Based on this comprehensive understanding, this work demonstrates a facile way to recover more than 80% of the initial storage capacity through a thermal recovery (annealing) step. The thermal recovery can be potentially used for cost-efficient recycling of ceramic all-solid-state batteries.

In dieser Arbeit wurde ein dreigliedriges Lösungssystem für thermische Lebensdauertest an automobilen Steckkontakten entwickelt. Das System beruhte dabei auf drei evolutionär entwickelten, aber dennoch unabhängig einsetzbaren Methoden zur Beschleunigung der Qualifizierungstests. Die Entkopplung der Einflüsse auf Steckverbinderkontakte durch einen Versuchsaufbau, bei dem Mikrobewegungen bei konstant erhöhter Temperatur eingebracht wurden, konnte keine statistisch signifikanten Beschädigungen auslösen. Hierfür wurde das Fehlen des Durchschreitens des Taupunktes als Ursache ausgemacht. Auf Basis der Analyse des Pkw-Nutzungsverhaltens in Europa wurden realitätsnahe Lastprofile entwickelt. Mithilfe eines auf thermischen Zyklen beruhenden Profils konnte eine Beschleunigung der Ausfälle im Vergleich zu regulären Temperaturwechseltests erzielt werden. Die abschließende Methodik beruhte auf der Kombination von kalibrierten Lebensdauertests mit Raffungsmodellen zur. Dabei erwies sich das modifizierte Norris-Landzberg-Modell als geeignet, die Lebensdauer von Steckverbinderkontakten vorherzusagen. Der Einsatz der mit Raffungsmodellen kombinierten CALT-Methodik stellt daher eine vielversprechende Möglichkeit dar, um während der Entwicklung neuer Kontaktierungstechniken eine Hilfestellung bei der Beurteilung der Lebensdauer zu leisten., This thesis developed and analytically evaluated three consecutive but independent methods for accelerating thermal qualification tests of automotive contacts. First, introduction of micro movements in the contact zone at constant elevated temperatures via a specific test setup, did not to cause statistically significant damage. This was due to the lack of passing the dew point and condensation of moisture in the contact zone. Second, the car usage behavior in Europe was analyzed and transferred to more realistic load profiles. These were carried out in relative motion tests at constant elevated temperatures and as a load profile based on thermal cycles. Only the thermal cycling load-profile was able to cause significant damage in the contact zone faster than in regular thermal cycling tests. Third, a methodology combined calibrated lifetime tests (CALT) with analytical methods for lifetime prediction. The modified Norris-Landzberg model provided a suitable and conservative lifetime prediction for the given connector application. In direct comparison with the conventional CALT-methodology, the combined method dramatically improved the prediction accuracy. Therefore, the combination of the CALT methodology with acceleration models constitutes a promising way to assist lifetime assessment during development of new contacting technologies. Especially research projects benefit from the methodical way of estimating the lifetime at an early stage. This work was funded by the European Union’s European Regional Development Fund (ERDF)., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 419

For many combinatorial problems encountered in practical applications, there are currently no efficient solution algorithms available. In particular, such problems are often NP-hard and thus especially difficult to solve for larger instances. However, exact solutions are often not necessary in practice. While, depending on the specific problem, algorithms for finding approximate solutions might already be available, methods based on machine learning have not yet found widespread use in this domain. In general, any systematic approach to NP-hard combinatorial problems by means of machine learning techniques faces two major challenges: First, combinatorial problems are discrete in nature, and it is typically difficult to map discrete results with machine learning methods. Second, due to the large solution space of NP-hard problems, it takes large computational effort, or is even practically impossible, to generate labels for supervised machine learning. Therefore, in this dissertation, we present an approach that circumvents these obstacles, and thus allows for efficiently predicting solutions to combinatorial problems with machine learning. More specifically, we overcome the problem of discrete solutions with a relaxation approach. The problem of label generation, on the other hand, is avoided with label-free learning via the loss function: The loss function represents the objective function, which computes the objective value of the combinatorial problem itself. Instead of labels, the loss function thereby immediately directs the adaption of the parameters during the gradient-based training of the machine learning algorithm. Although the approach presented here is applicable to a much more general class of problems, we will focus on the so-called hybrid flow shop scheduling problem to demonstrate our methods. It consists of two subproblems: a permutation problem and an assignment problem. We analyze the hybrid flow shop in depth, including a formal mathematical description. Additionally, we give an extensive overview of the theoretical foundations of gradient-based machine learning to provide a theoretical foundation for understanding the proposed approach. Most importantly, we provide a detailed explanation of the suggested approach of learning via the loss function and the literature that has thus far treated the topic. For each subproblem, we train a neural network and describe the architecture and training method in detail, as well as the connection between the two networks to address the entire hybrid flow shop problem. To assess the effectiveness of our approach, we compare the results of the neural networks, both individually and combined for the complete approach, with those of a basic Monte Carlo algorithm, as well as a more advanced mixed-integer linear programming approach. The results demonstrate noteworthy benefits in terms of efficiency and scalability of the proposed approach. Finally, we give suggestions for further research concerning the topic., Für viele kombinatorische Probleme sind derzeit keine hinreichend effizienten exakten Lösungsalgorithmen verfügbar. Insbesondere sind kombinatorische Probleme mit praktischer Relevanz oft NP-schwer und daher für größere Instanzen besonders schwierig zu lösen. Exakte Lösungen sind in der Praxis jedoch oft nicht erforderlich. Obwohl es, je nach Problemstellung, bereits Algorithmen zur Suche nach Näherungslösungen gibt, haben Methoden, die auf maschinellem Lernen basieren, in diesem Bereich bislang noch keine breite Anwendung gefunden. Systematische Annäherungen an NP-schwere kombinatorische Probleme mittels maschineller Lernverfahren stehen vor zwei großen Herausforderungen: Einerseits sind kombinatorische Probleme von Natur aus diskret, und es ist im Allgemeinen schwierig, diskrete Ergebnisse mit Methoden des maschinellen Lernens abzubilden. Andererseits ist es aufgrund des großen Lösungsraums von NP-schweren Problemen rechenaufwändig bzw. praktisch unmöglich, Labels für überwachtes maschinelles Lernen zu generieren. Diese Dissertation stellt daher einen Ansatz vor, der diese Hürden überwindet und eine effiziente Vorhersage von Lösungen für kombinatorische Probleme durch maschinelles Lernen ermöglicht. Dazu wird das Problem der diskreten Lösungen mit einem Relaxierungsansatz überwunden, während das Problem der Labelgenerierung durch labelfreies Lernen über die Verlustfunktion umgangen wird: Die Verlustfunktion stellt die Zielfunktion dar, die den Zielwert des kombinatorischen Problems selbst berechnet. Anstelle von Labels steuert die Verlustfunktion damit unmittelbar die Anpassung der Parameter während des gradientenbasierten Trainings des maschinellen Lernalgorithmus. Obwohl der vorgestellte Ansatz auf allgemeinere Probleme anwendbar ist, liegt der Fokus auf der Demonstration der Methoden am sogenannte Hybrid Flow Shop-Problem. Dieses besteht aus zwei Teilproblemen: einem Permutationsproblem und einem Zuordnungsproblem. Das Problem wird eingehend analysiert, einschließlich einer formalen mathematischen Beschreibung. Zudem wird ein umfassender Überblick über die theoretischen Grundlagen des gradientenbasierten maschinellen Lernens bereitgestellt, um eine Basis für das Verständnis des vorgeschlagenen Ansatzes zu schaffen. Insbesondere wird das Lernen über die Verlustfunktion ausführlich erläutert sowie ein Überblick über die Literatur gegeben, die das Thema bisher behandelt hat. Für jedes Teilproblem wird ein neuronales Netz trainiert: Die Architektur sowie die Trainingsmethode werden erklärt und die Verbindung zwischen den beiden Netzen beschrieben, um das Gesamtproblem zu lösen. Für die Bewertung des Ansatzes erfolgt ein Vergleich der Ausgabe der neuronalen Netze, sowohl separat als auch kombiniert für den gesamten Ansatz, mit den Ergebnissen eines Monte-Carlo-Algorithmus und eines Mixed-Integer-Linear-Programming-Verfahrens (MILP). Dabei zeigen sich signifikante Vorteile in Bezug auf Performance und Skalierbarkeit des vorgestellten Ansatzes.

Durch die zunehmende Elektrifizierung verschiedener industrieller Sektoren wie beispielsweise der Mobilität und Energieversorgung steigt unter anderem auch der Bedarf an leistungselektronischen Stromwandlern. Konventionelle Schaltungsträger im Bereich der Leistungselektronik wie DCB- und AMB-Substrate weisen neben der bedingten Möglichkeit einer flexiblen Herstellung auch Einschränkungen hinsichtlich der vertikalen Integrationsmöglichkeit aktiver und passiver Bauelemente sowie des Wärmemanagements auf. Anhand der Additiven Fertigung können mit dem Verfahren des Laser Powder Bed Fusions (LPBF) 3D-Metallisierungen auf keramischen Substratmaterialien gefertigt und somit weitere Anwendungsmöglichkeiten leistungselektronischer Schaltungsträger erschlossen werden. Vorliegende Dissertation adressiert maßgeblich die beiden Themengebiete des LPBF von Kupfer und der Herstellung eines Verbundmaterials von Kupfer und Aluminiumoxid im selben Verfahren. Unter Verwendung eines 500 W Yb:YAG-Lasers werden Untersuchungen zur Verarbeitung von Kupferpulver durchgeführt und die Haupteinflussfaktoren auf das Schmelz- sowie Prozessverhalten identifiziert. Dadurch können Parameterkombinationen ermittelt werden, welche die Verarbeitung von Kupfer zu konventionellen Eigenschaften ermöglichen. Darüber hinaus können durch Anpassung der Laserparameter an ausgewählte Schichtbereiche Aluminiumoxid-Keramiken stoffschlüssig, durch das Entstehen einer Reaktionszone, mit darauf geschmolzenem Kupfer verbunden werden., Due to the increasing electrification of various industrial sectors, such as mobility and energy supply, the demand for power electronic current transformers is also growing. Conventional circuit carriers in the field of power electronics, e.g. DCB and AMB substrates, in addition to the limited possibility of flexible production, also have limitations with regard to the vertical integration of active and passive components as well as thermal management. Using Additive Manufacturing, the method of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) enables the fabrication of 3D metallizations on ceramic substrate materials, thus providing new possibilities for the application of power electronic circuit carriers. The dissertation presented, significantly addresses both areas, the LPBF of copper and the fabrication of a composite material consisting of copper and aluminum oxide in the same process. By means of a 500 W Yb:YAG laser, studies with respect to the processing of copper powder is carried out, and the main factors influencing its melting and process behavior are identified. Parameter combinations can be determined which enable the processing of copper without altering its conventional characteristics. Furthermore, by adapting laser parameters to selected layers, aluminum oxide ceramics can be bonded to copper with the emergence of a reaction zone., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 420

Komplexe Produkte der fertigenden Industrie, wie z. B. im Fahrzeugbau, zeichnen sich durch eine hohe Variantenvielfalt aus und bestehen aus einer wachsenden Anzahl von Komponenten, die der Hersteller von Lieferanten beschaffen muss. In der frühen Phase der Produktentwicklung ist es wichtig, die Kosten dieser Fremdbezugskomponenten solide abzuschätzen, u. a. um Entwicklungsalternativen zu bewerten oder die Verhandlungen mit potenziellen Zulieferern zu unterstützen. Das sog. Cost Engineering im Supply Management eines Herstellerunternehmens übernimmt diese Aufgabe. Traditionelle Kalkulationsverfahren erweisen sich jedoch zunehmend als zu aufwändig, um die Beschaffungsvielfalt zu bewältigen. Um diesem Problem zu begegnen, sind neuartige und möglichst intelligente Ansätze zu erarbeiten, die es ermöglichen, in der frühen Produktentwicklungsphase durch eine (Teil-) Automatisierung des Kalkulationsprozesses die Effizienz im Cost Engineering zu steigern. In diesem Buch wird gezeigt, dass sich vielfältige Methoden aus dem Gebiet des maschinellen Lernens für eine intelligente Kostenprognose eignen und die Aufgaben des Cost Engineers wirkungsvoll erleichtern können. Dies wird zum einen durch theoretische Analysen des State of the Art fundiert und zum anderen durch differenzierte Ergebnisse von drei praktischen Fallstudien mit jeweils zahlreichen Einzelexperimenten belegt. In diesen Fallstudien werden Lösungskonzepte erarbeitet und in der Unternehmenspraxis evaluiert, die einen Cost Engineer bei seinen Kostenschätzungen mithilfe von Machine Learning (ML) zielgerichtet unterstützen. Durch das experimentelle Design und eine Vielzahl von Testergebnissen gelingt es, Best Practices von ML-Modellen für die Kostenprognose von zu beschaffenden Bauteilen und Baugruppen herauszudestillieren. Ein derartiges ML-Modell ist insbesondere durch die „beste“ Kombination aus der immensen Vielfalt von ML-Algorithmen, zugehörigen Trainings- und Testkonzepten, Featureselektionsmethoden sowie Erklärungs-ansätzen der sog. Explainable Artificial Intelligence charakterisiert. Daneben werden wertvolle Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit von ML-Ansätzen gewonnen. Ein abschließendes Kapitel zeigt im praktischen Umfeld bestehende Herausforderungen bei der Einführung derartiger Systeme zur intelligenten Kostenprognose auf. Hierzu dient eine empirische Untersuchung mit einer Befragung von 130 Managern in einschlägigen Verantwortungsbereichen. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden schlussendlich Limitationen wie auch zukünftige Möglichkeiten des maschinellen Lernens für das Cost Engineering sowohl aus der wissenschaftlichen als auch aus der Praxisperspektive vorgestellt., Complex products in the manufacturing industry, such as in vehicle construction, are characterized by numerous variants and consist of a growing number of components to be procured from suppliers. In the early phase of product development it is important to solidly estimate the costs of these externally sourced components, among other things in order to evaluate development alternatives or to support negotiations with potential suppliers. The so-called cost engineering function takes over this task. However, traditional costing methods are too costly to cope with the diversity of procurement. In order to meet this challenge new intelligent approaches are to be compiled, which increase efficiency in cost engineering in the early product development phase by (partially) automating the costing process. In this book it is shown that a variety of methods from the field of machine learning are suitable for intelligent cost estimation and can effectively facilitate the tasks of the cost engineer. This is substantiated on the one hand by theoretical analyses of the state of the art and on the other hand by differentiated results of three practical case studies, each with numerous individual experiments. In these case studies, solution concepts are developed and evaluated in corporate practice, which support cost engineers in cost estimations with the help of machine learning (ML) in a targeted manner. Through experimental design and a variety of test results, it is possible to carve out best practices of ML models for cost estimation of components and assemblies to be procured. Such a ML model is characterized in particular by the "best" combination of the immense variety of ML algorithms, associated training and testing concepts, feature selection methods as well as explanatory approaches of the so-called explainable artificial intelligence. In addition, valuable insights into the performance and accuracy of ML approaches are provided. A concluding chapter shows existing challenges in the practical environment to introduce such systems for intelligent cost estimation. For this purpose, an empirical study consulting 130 managers in relevant areas is carried out. Based on the findings, the limitations and potentials of machine learning for cost engineering are presented from both a scientific and a practical perspective., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 413

Der rasche globale Wandel in der Politik, Umwelt und Gesellschaft, ein sich änderndes Kundenbild und die steigende technische Komplexität beim Umstieg von konventionellen Antriebskonzepten mit Verbrennungsmotoren auf elektrische Fahrzeuge und nicht zuletzt auch die Covid-19-Pandemie sind nur einige treibende externe Faktoren, welche direkte Auswirkungen auf die Automobilindustrie und deren Akteure haben. Dabei hat insbesondere der Automotive Aftersales mit einer gravierenden Veränderung bisheriger Geschäftsprozesse und einer starken Transformation umzugehen. Einerseits müssen die teils sehr geringen Margen im Endproduktgeschäft von produzierenden Unternehmen durch den After Sales Service kompensiert werden, andererseits müssen sich unabhängige Dienstleister auf dem Markt gegen neue Konkurrenten im Wettbewerb behaupten. Ziel dieser Dissertation ist die Erarbeitung eines Konzeptes, unter dessen Verwendung sich die Akteure des Automotive Aftersales diesem Wandel entgegenstellen können, mit der Intention, auch zukünftig handlungsfähig zu sein und profitabel agieren zu können. Hierzu erfolgt die Konzepterstellung unter Einhaltung des übergeordneten Lösungsraumes der Digitalen Transformation. Vorgelagert werden Werkzeuge wie auch Nutzerschnittstellen, welche sich zur Umsetzung der Digitalen Transformation eignen, vorgestellt. Auch erfolgt ein Einblick in die Akteure des Automotive After Sales, dessen Umfeld und intern wie auch extern getriebene Entwicklungen. Unter Verwendung des Zwiebelprinzips erfolgt eine Verdichtung dieser Informationen unter der Beachtung von Dependenzen und Wechselwirkungen hin zur Ableitung eines Konzeptes. Dieses besteht dabei aus einem Kernbaustein, welcher einen unternehmensübergreifenden Digitalen Zwilling beschreibt, der in Kombination mit einem Serviceportal als Verwaltungsschale auftritt. Ebenso erfolgt im Konzept eine Anbindung an bereits bestehende Lösungsräume. Die innovativen Nutzerschnittstellen Extended Reality sowie die Generative Fertigung ergänzen das Konzept. Zur Validierung des Konzeptes wird eine prototypische Umsetzung vorgenommen. Da eine komplette Realisierung den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde, wird die Gültigkeit des Konzeptes durch die Realisierung ausgewählter Komponenten nachgewiesen. Dafür werden verschiedene Akteure des Aftersales hinsichtlich einer Implementierung eines Teilaspektes des Konzeptes näher betrachtet. Die Teilnehmer sind dabei so gewählt, dass sich Rückschlüsse auf die Sinnhaftigkeit des Gesamtkonzeptes ziehen und zudem auch Hürden bei der Konzeptumsetzung identifizieren lassen. Für die exemplarische Umsetzung des Konzeptes wird in einem ersten Schritt die Erstellung eines Digitalen Zwillings mit einem Serviceportal als Verwaltungsschale realisiert. Es erfolgt eine Anwendung dieser zur Optimierung des Prozesses einer Hauptuntersuchung unter Verwendung eines Mixed Reality Devices sowie zur Optimierung der Ersatzteileversorgung mit Fokus auf die Generative Fertigung. Zusammenfassend liefert die Dissertation mit dem Konzept zur Digitalen Transformation einen Ansatz, welcher etablierte Akteure des Automotive Aftersales unterstützt, sich auf ein sich wandelndes Umfeld und damit verbundenen Herausforderungen einzustellen. Sinnvoll ist die schrittweise wie auch die bedarfsabhängige Umsetzung des Konzeptes. So können je nach Unternehmensgröße und Tätigkeitsbranche Teilaspekte des Konzeptes eingeführt und mit weiteren Anwendungsfällen oder unternehmensspezifischen Modulen sukzessive dem Gesamtsystem hinzugefügt werden. Rapid global changes in politics, the environment and society, as well as ever-evolving customer habits and the increasing complexity caused by the transition from conventional drive concepts with internal combustion engines to electric vehicles present just some of the driving factors having a direct impact on the automotive industry and its players, which have only been exacerbated by the effects of the Covid-19 pandemic. Automotive aftersales must deal with serious changes in business processes and significant transformations. On the one hand, the partly very low margins in the product business of manufacturing companies must be compensated by the after sales service. On the other hand, independent service providers must compete against new competitors in the market. The aim of this dissertation is the development of a concept that aids the players of the automotive aftersales market in facing these changes. The intention is to remain able to act in the future and to do so profitably. To achieve this, the concept is developed in compliance with the solution of digital transformation. The tools and user interfaces suitable for implementing digital transformation are presented. Additionally, an insight is provided into the players in automotive aftersales, their environment, as well as internally and externally driven developments. Using the onion principle, this information is condensed to derive a concept, taking into account dependencies and interactions. This consists of a core module that describes a cross-company digital twin in combination with a service portal. A connection to already existing solution spaces is also included and implemented. The innovative user interfaces extended reality and generative Manufacturing complete the concept. For the implementation and validation of the concept, a prototypical approach is used. Since a complete realization would go beyond the scope of this thesis, the validity of the concept is proven by realizing selected components. For this purpose, different actors of aftersales are examined more closely with regards to an implementation of a partial aspect of the concept. The participants are selected in such a way that conclusions can be drawn about the usefulness of the overall concept while also identifying hurdles that are encountered during its implementation. In a first step, the general implementation of a digital twin with a service portal as the administration shell is carried out. Using this, the concept is then applied to optimize the process of a main inspection using a mixed reality device and to optimize the supply of spare parts with a focus on generative manufacturing. In summary, this dissertation provides an approach to digital transformation that supports established players in automotive aftersales in adapting to a changing environment and the associated challenges. It makes sense to implement the concept both step by step and as needed. Depending on the size of the company and the sector in which it operates, sub-aspects of the concept can be introduced and successively added to the overall system with further use cases or company-specific modules. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2023

Forschung im Ingenieurwesen = Engineering research (2023). doi:10.1007/s10010-023-00647-w, Published by Springer, Berlin ; Heidelberg

For a representative large modern containership, the effects of a deck container arrangement on the wind-induced loads were systematically investigated using physical model tests and numerical computations. Numerical simulations based on various turbulence models were performed to validate our predictions against comparative wind tunnel measurements. Not only standard two-equation turbulence models of the unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes (URANS) equations solver but also the improved delayed detached eddy simulation (IDDES) and large eddy simulation (LES) turbulence models were used to determine their limits in the prediction of aerodynamic loads. Systematic discretization studies ensured adequate discretization independent predictions. With URANS, numerically predicted wind forces and moments in near-head and near-tail winds were compared favorably with the measured data. However, in oblique winds, URANS predictions deviated from measurements. In oblique winds, flow separations were pronounced; therefore, the flow was strongly transient. Consequently, a two-equation turbulence model was inappropriate. With IDDES, more accurate predictions were achieved, especially in oblique winds. With LES, although the computational effort was high, the agreement of the computed forces and moments with the measured values was superior. Flow details were also presented and discussed. The container arrangement on deck showed major effects on aerodynamic forces and moments. A tarpaulin covering the containers on deck reduced wind resistance by up to 70%.

Prostate malignancy represents the second leading causeof cancer-specificdeath among the male population worldwide. Herein, enhanced intracellularmagnetic fluid hyperthermia is applied in vitro totreat prostate cancer (PCa) cells with minimum invasiveness and toxicityand highly specific targeting. We designed and optimized novel shape-anisotropicmagnetic core-shell-shell nanoparticles (i.e., trimagneticnanoparticles - TMNPs) with significant magnetothermal conversionfollowing an exchange coupling effect to an external alternating magneticfield (AMF). The functional properties of the best candidate in termsof heating efficiency (i.e., Fe3O4@Mn0.5Zn0.5Fe2O4@CoFe2O4) were exploited following surface decoration with PCa cellmembranes (CM) and/or LN1 cell-penetrating peptide (CPP). We demonstratedthat the combination of biomimetic dual CM-CPP targeting and AMF responsivenesssignificantly induces caspase 9-mediated apoptosis of PCa cells. Furthermore,a downregulation of the cell cycle progression markers and a decreaseof the migration rate in surviving cells were observed in responseto the TMNP-assisted magnetic hyperthermia, suggesting a reductionin cancer cell aggressiveness.

To account for nonlinear wave–structure interaction, mooring dynamics and the associated viscous flow effects, a coupled mooring–viscous flow solver was formerly developed and validated (Jiang et al. in Mar Struct 72:783, 2020a, Validation of a dynamic mooring model coupled with a RANS solver). This paper presents an extension of the coupled mooring–viscous flow solver to solve mooring dynamics interacting with an articulated multibody offshore system. The presently extended solver is verified by comparing the predicted motions of and loads on a moored floating box to those obtained from the formerly validated solver, which was aimed for solving mooring dynamics interacting with a single floating body. The almost identical results obtained from both solvers verify the presently developed multi-module coupling technique for solving the mooring dynamics and articulated multibody dynamics in a coupled manner. Apart from the code comparison and verification, the numerical predictions are also validated against experimental tank measurements both for a single body and an articulated multibody. The good agreements between the numerical predictions and the experimental measurements validate the presently extended solver, where wave-induced body motions together with loads acting on mooring lines and joint connections were examined. Developed as an open-source tool, the extended solver shows a potential of the coupled methodology for analyzing an articulated multibody offshore system, moored with various mooring configurations in extreme sea states, which goes beyond the state of the art.

In the current research, we studied the collapse mechanism of the nanobubble under mirror and real wall protocols using molecular dynamics simulation. Moreover, we analyzed reactive properties of the real wall during the collapse process. Towards this aim, an aluminum (Al) slab has been considered as a real wall, and its behavior after the formation of a nanojet has been investigated. The obtained results indicated that the dynamics of nanobubble collapse under the mirror and real protocols are similar. The collision between the shock wave and the nanobubble leads to the collapse of nanobubble, and the nanojet was formed during this collapse process. However, the nanobubble can collapse sooner when the Al slab is used as a real wall. Moreover, the surface roughness of the Al slab during the shock propagation and nanobubble collapse was increased due to the formation of the chemical reaction between Al and water under the real wall protocol, while the mirror wall has a roughness-free surface from the beginning to the end. The chemical reaction 2Al + [Formula: see text] [Formula: see text] AlOH + AlH creates the amorphous layer containing the AlOH and AlH species on the surface of the Al slab. This layer grows semi-smoothly during bubble shrinkage and collapse process, while the growth type was changed to an island shape after the complete collapsing. The island shape on the Al slab was formed behind the nanojet due to the water vortices that are formed after the nanobubble collapse.

Das pulverbettbasierte Laserschmelzverfahren von metallischem Pulvermaterial (PBF-LB/M) bietet durch den schichtweisen Aufbau die Umsetzung von Funktionsbauweisen, die mit konventionellen Urformverfahren nicht bzw. sehr aufwendig herstellbar sind. Allerdings ist das PBF-LB auf schweißbare Werkstofflegierungen durch deren Ähnlichkeit zum Schweißverfahren beschränkt. Insbesondere im Bereich der Nickelbasis-Superlegierungen sind zahlreiche Legierungsgruppen vorhanden, die hervorragende Temperaturbeständigkeit aufweisen, aber durch deren Anfälligkeit für Heißrisse als schwer schweißbar gelten. Die γ′-ausscheidungsverfestigten Nickelbasis-Superlegierungen gehören zu dieser Gruppe von Hochtemperaturlegierungen, die kurzzeitig maximale Einsatztemperaturen bis zu 1.000 °C bei vorliegenden Betriebsspannungen in einem Flugzeugtriebwerk ertragen können. Die vorliegende Arbeit untersucht ein bewegliches, lokales Heizsystem, das auf elektromagnetischer Induktion beruht und durch die Vorwärmung des Substrats bzw. der aufgebauten Bauteilschichten zur Reduktion von thermischen Gradienten während dem PBF-LB-Prozess dient. Dies soll die defektfreie Verarbeitung der schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierung Pearl® Micro 247LC, ein Derivat der bekannten γ′-ausscheidungsverfestigten Nickelbasis-Superlegierung CM247LC mit dem PBF-LB ermöglichen. Die Besonderheit des Heizsystems ist dessen lokaler und zugleich globaler Heizcharakter sowie die Beweglichkeit der implementierten Induktoren oberhalb der Bauebene. Die Voruntersuchungen am kombinierten System, bestehend aus der beweglichen Heizvorrichtung und PBF-LB zeigen, dass erhebliche Erwärmungszeiten des Substrats bis zum Erreichen einer adäquaten Substrattemperatur notwendig sind (heizprozessbedingte Zeit) und weiterhin eine hohe Rissbildung besteht. Ausgehend vom Konzept der Steuerung des Wärmehaushalts des Belichtungsbereichs vor,während und nach dem Lasereingriff werden systemseitig technische Verbesserungsmaßnahmen entwickelt, deren Ziel die maximale Ausnutzung der elektromagnetischen Induktion für ein möglichst effizientes, bewegliches Heizsystem ist. Dabei konnte durch die Implementierung der technischen Maßnahmen die heizprozessbedingte Zeit für das Erreichen der Substrattemperatur von 1.100 °C um 50 % und die normierte, flächenbezogene Risslänge um 18 % ggü. den ermittelten Versuchsdaten des Heizsystems ohne Verbesserungsmaßnahmen bei gleicher Substrattemperatur reduziert werden. In diesem Zusammenhang stellt sich die Substrattemperatur als ein wichtiger Parameter dar, der durch die vorherrschenden thermischen Bedingungen des beweglichen, lokalen Heizsystems bestimmt wird und parallel die Defektbildung während des PBF-LB-Prozesses beeinflusst. Dabei zeigten die Untersuchungen mit zunehmender Substrattemperatur > 950 °C und etablierten Volumenenergiedichten an einfachen Probekörpern eine Reduktion der normierten, flä chenbezogenen Risslänge, während die Porosität mit zunehmender Substrattemperatur > 1.000 °C stetig ansteigt. Die Versuche beschränkten sich auf die Variation der zwei PBF-LB-Parameter Laserleistung und Scangeschwindigkeit in einem definierten Referenzbereichs, während der Hatchabstand, die Schichtdicke sowie die Parameter der angewendeten Streifenbelichtung konstant blieben. Dieses festgelegte Prozessfenster reduzierte die Einflussnahme der Volumenenergiedichten auf die Rissbildung und begrenzte auch die weitere Senkung der Rissbildung bei einer Substrattemperatur von 1.100 °C. Somit konnte festgestellt werden, dass das Prozessfenster um den Hatchabstand und ggf. weitere PBF-LB-Parameter ergänzt werden muss. Zusätzlich war die weitere Senkung der Rissbildung mit zunehmender Substrattemperatur durch vorhandene lokale, thermische Spannungen limitiert, die in den Untersuchungen bis zu 44 % der Zugfestigkeit der artgleichen Legierung MAR-M247® betrugen und somit die Rissinitiierung und 3Bildung begünstigten. Diese thermischen Spannungen sind durch die kurzzeitige und kontinuierliche Bewegung des Heizsystems zur Positionierung zwischen der Heiz- und Belichtungsphase verursacht, die im Rahmen der technischen Verbesserungsmaßnahmen eingeführt wurde. Abschließend wurde ein ausgewählter PBF-LB-Parametersatz mit dem optimierten lokalen Heizsystem auf eine Schaufelgeometrie mit einer veränderlichen dünn-dick-Struktur angewendet, um deren Einfluss auf die Rissbildung zu untersuchen. Dabei zeigten sich innerhalb der dünnen Bauteilstrukturen keine Rissbildung, während in wesentlich dickeren Bauteilbereichen eine hohe Rissneigung auftrat. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die lokalen Spannungen, bedingt durch die Bauteilgeometrie und der thermisch vorherrschenden Randbedingungen, die durch die Interaktion des PBF-LB und dem beweglichen, lokalen Heizsystems erzeugt wurden, nicht ausreichend reduziert werden konnten, um die Rissbildung unabhängig von der vorliegenden Bauteilstruktur zu unterdrücken., Due its layer‑by‑layer built-up the laser powder bed fusion process of metal powder (PBF-LB/M) enables the functional integration of features in components that would be difficult or impossible with a conventional manufacturing process. Nevertheless, the PBF‑LB/M is limited by the application to materials and alloys, which are weldable. In particular, for the class of nickel-based superalloys, there are several groups of alloys on the market which show an outstanding mechanical behavior for high operation temperatures, but these alloys are well-known for their susceptibility to hot cracking during the welding process. The gamma prime γ′‑precipitation hardened nickel-based superalloys belong to this group of high temperature alloys that can maintain their mechanical performance in aircraft engines to maximum operation temperatures to 1,000 °C. This thesis examines a movable, local heating system which is based on electromagnetic induction and reduces the thermal gradients in the material prior, during and after the PBF‑LB‑process by heating the substrate or the built‑up part layers. This enables the defect-free manufacturing of the difficult-to-weld nickel-based superalloy Pearl® Micro 247LC, a derivative of the well‑known CM247LC by the PBF-LB. The defining feature of this heating system is a local as well as a global heating behavior and inductors, which can be moved closely above the active area. Some preliminary studies, conducted on the combined system, consisting of the movable, local heating system and the PBF‑LB show a significant heating time of the substrate to achieve the defined base temperature (heating‑related time), while still a highly crack formation is still high. Starting from a concept of controlling the thermal heat balance of the local exposure area prior, during and after the laser exposure, some system‑related technical measurements are developed to maximize the electromagnetic induction suitable for a highly efficient, movable heating system. The results show that the implementation of these technical measurements reduce the heating‑related processing for reaching the substrate temperature of 1,100 °C to 50 % as well as the mean size of the standardized, area‑related crack length to 18 %, compared to the results of the previous studies without these improvements. In this context, the substrate temperature is shown to be an important parameter for the prevailing thermal conditions of the movable, local heating system and in addition the defect formation during the PBF‑LB‑process is improved. As a result, a reduction of the mean size of the standardized, area‑related crack length on simple test samples by increasing the substrate temperature > 950 °C could be demonstrated, while the porosity increased continuously with rising the substrate temperature above 1,000 °C. The tests were performed by variation of laser power as well as scan speed in a defined reference range, while hatch distance, layer thickness as well as parameters for the applied stripe scanning strategy were kept unchanged. Keeping the latter parameters fixed reduced the impact of the volumetric energy density on the crack formation and also limited the further decrease of the crack formation at a substrate temperature of 1,100 °C. Therefore, the hatch distance and possibly also further PBF‑LB‑parameters should be added to the examined parameters in future studies. Additionally, the limited improvements on crack formation could be traced back to the generated local thermal stresses by an increased substrate temperature. These stresses can reach to 44% of the tensile strength of the originated alloy MAR‑M247®, which promotes crack initiation and formation. The cause of these thermal stresses is short‑term heating due to the continuously moving inductors for positioning between the heating and exposure phase that were introduced during the technical measurements. Finally, a selected PBF-LB-parameter set, combined with the optimized local heating system was applied to a vane segment geometry, which consists of a thin‑thick‑structure to investigate their impact on the crack formation. The results showed that within the thin part structures no cracks were observed, while within the thick structures a high crack formation could be detected. This shows that the local stresses, caused by the part geometry as well as the dominating thermal boundary conditions, which are generated by the interaction between the PBF‑LB and the movable, local heating system could not be reduced sufficiently to suppress the crack formation independently on the existing part geometry and structure.

Hydrogen is one of the most important base chemicals and discussed as a future energy carrier for power and heat generation, as well as energy storage. Producing hydrogen at low costs and low CO₂ emissions is thus of increasing importance. This study addresses the thermodynamics and economics of hydrogen, power, and heat generation by partial oxidation of methane in fuel-rich operated homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines. Therefore, a python model of two different process concepts with different hydrogen separation technologies was developed and analyzed: pressure swing adsorption (PSA) and palladium membrane separation. The operating conditions of the engine and the separation were evaluated by conducting a global sensitivity analysis. The most suitable engine operating parameters were found at an equivalence ratio of 2, an intake temperature of 200 °C, a rotational speed of 1500 1/min, and a compression ratio of 22. In direct comparison, PSA consistently yielded better results than the palladium membrane, and low feed pressures were favorable. Subsequently, the uncertainty of economic input values was investigated and the power and hydrogen costs evaluated. In the PSA case, the electricity and hydrogen costs were found in a range of 44.2 €/MWh to 97.6 €/MWh and 2.7 €/kg to 7.2 €/kg, respectively, with an overall exergetic efficiency of 68.3%. Therefore, the proposed polygeneration system provides electricity at competitive costs and hydrogen at costs similar to a small-scale steam reforming plant at comparable efficiencies. Further scaling up of the engine could provide hydrogen at the cost of large-scale steam reforming, making the proposed concept a promising alternative. CA Freund

Für den Nachweis vorschriftenkonformer Manövriereigenschaften während der Entwurfsphase von Schiffen benötigt man Manövriermodelle. Der hier beschriebene Ansatz ermöglicht die Berechnung der Schiffsbewegungen deutlich schneller als in Echtzeit, so dass viele Manövervarianten schnell kalkuliert werden können., UNIKATE: Berichte aus Forschung und Lehre, vol. 2023, no. 59Mobilität und Transport im Wandel: Strategie und Umsetzung, p. 22

Two-dimensional thermographic particle image velocimetry (T-PIV) is presented for the in situ measurement in optically accessible internal combustion (IC) engines. Temperature and velocity measurements are combined using thermographic phosphor particles as tracers for PIV. For three commercially available phosphors (BAM:Eu2+, ZnO, and ZnO:Zn), temperature sensitivity, luminescence intensity at high temperatures and laser-fluence dependence were evaluated for phosphor-coated surfaces in a high-temperature cell. ZnO:Zn was identified as the best-suited candidate for engine in-cylinder measurements and further analyzed in the aerosolized state at temperatures up to 775 K to generate calibration data required for signal quantification in engine experiments. T-PIV was successfully applied in the IC engine to simultaneously obtain instantaneous two-dimensional velocity and temperature fields using the intensity-ratio method. Despite a measurement uncertainty (±1σ basis) of only 3.7 K at 317 K (1.2%) to 24.4 K (4.2%) at 575 K, this technique suffers from low signal intensities due to thermal quenching at increasing temperatures, which leads to reduced accuracy as the piston approaches top dead center. Thermographic measurements were successful to visualize local temperature changes due to evaporative cooling after fuel injection. The measured mean gas temperatures agreed well with zero-dimensional simulations that use additional wall-temperature measurements from thermographic phosphor measurements based on the lifetime method as input for heat transfer calculations.

Die industrielle Gebäudefertigung bietet aufgrund des hohen Automatisierungsgrades und der damit einhergehenden Vorteile, wie beispielsweise kürzere Bauzeiten, geringeren Arbeitskräftebedarf sowie Steigerung der Qualität, ein hohes Potenzial zur Schaffung von vergleichsweise kostengünstigem Wohnraum. Allerdings erfolgt auch hier, wie derzeit im Massivhausbau, der Einbau des Gewerkes Heizung überwiegend manuell, begleitet durch einen teilweise sehr hohen Einsatz materieller Ressourcen. Das Gesamtziel der Arbeit war die Entwicklung eines Wandflächenheizsystems, welches während der Fertighausherstellung automatisiert in die Wandmodule integriert werden kann. Die Lösung zur Umsetzung der Anforderungen ist eine direkt auf die Oberfläche des Baustoffes integrierte, elektrisch betriebenen Wandflächenheizung. Die Durchführung erfolgte mit der kaltaktiven Plasmabeschichtungstechnik (CAPM), welche den automatisierten Auftrag einer elektrisch leitenden Struktur auf Oberflächen einer Vielzahl an Materialien erlaubt. In einer Parameterstudie konnte ein geeignetes Setup gefunden werden, um elektrisch leitende Strukturen mittels CAPM-Prozess fertigen zu können. Die Charakterisierung des Schichtverbundes zeigte einerseits, dass die Kupferpartikel eine dauerhafte Verbindung mit der Gipskartonoberfläche eingehen, während andererseits die Funktionsfähigkeit des Flächenheizsystems anhand von thermischen Untersuchungen nachgewiesen werden konnte. Durch die Untersuchung der elektrischen, thermischen sowie mechanischen Eigenschaften des Flächenheizsystems unter definierten Umwelteinflüssen konnte die Langzeitzuverlässigkeit, der mittels CAPM hergestellter Wandflächenheizungen, erfolgreich dargelegt werden. Mit Hilfe von Behaglichkeitsmessungen wurde in einem eigens errichteten Demonstrationshaus eine ideale thermische Behaglichkeit des Heizsystems objektiv belegt. Ebenso konnte die Integration des Beschichtungsprozesses in bestehende Fertigungslinien zur Herstellung von Fertighäusern innerhalb einer theoretischen Analyse bestätigt werden. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt die Konkurrenzfähigkeit der plasmagenerierten Wandflächenheizung zu derzeit am Markt verbauten Systemen auf., The industrial production of buildings offers a high potential for the creation of comparatively low-cost housing due to the high degree of automation and the resulting advantages, such as shorter construction times, lower demand for personnel and an increase in quality. However, currently the installation of the heating system is mainly carried out by manual methods, like in the construction of solid houses. In addition, the demand for material resources is partly very high. The main subject of the research work was to develop a wall panel heating system that can be automatically integrated into the wall modules during the prefabrication process. The technical implementation of the requirements is an electrically operated wall panel heating system mounted directly on the surface of the building material. This was carried out using Cold Active Plasma Coating technology (CAPM), which allows the automated deposition of an electrically conductive structure on a variety of materials. In a parameter study, a successful configuration was found for the production of electrically conductive structures using the CAPM process. The characterisation of the layered composite showed on the one hand that the copper particles form a permanent bond with the plasterboard surface, while on the other hand the functionality of the surface heating system could be proven on the basis of thermal tests. By investigating the electrical, thermal and mechanical properties of the panel heating system under defined environmental conditions, the long-term reliability of the wall panel heating system was successfully demonstrated. Using a comfort measurement method, an ideal thermal comfort of the heating system was objectively proven in a specially built demonstration house. Furthermore, the integration of the coating process into existing production lines for the manufacture of prefabricated houses could be confirmed within a theoretical investigation. The cost-effectiveness analysis shows the competitiveness of plasma-generated wall panel heating in relation to systems currently used on the market., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 424

In the context of the energy transition, efficient energy systems are desired. One promising approach is the use of piston engines for energy and species conversion. Before such processes are in fact realized, they are studied using simulations so that their capabilities can be identified. To optimize corresponding processes regarding polygeneration and exergy storage, it is necessary to analyze a large number of process parameters fast and reliably. In this work, we extend an adjoint-based approach for the sensitivity analysis of homogeneous reactors by a piston engine model and apply it for the optimization of H₂ and C₂H₄ production by modification of initial conditions and additives. The approach reliably delivers good results for representative configurations. It was found that the optimum equivalence ratio for H₂ production in piston engines ranges from 2.33–2.86, depending on which additives may be added, leading to H₂ yields up to 80%. For C₂H₄ optimization, pyrolysis reactions get more important, leading to very fuel-rich conditions with an equivalence ratio of 6.2 to 7.2. C₂H₄ yields up to 12% are achieved. To evaluate these conditions thermodynamically, an exergetic analysis was carried out, revealing exergetic efficiencies up to 88% and 95%, respectively, if the unconverted fuel is recirculated. In addition, the approach provides time-dependent information on all process parameters, including mixture and engine parameters, which can be used to develop alternative processes and performance strategies. CA extern

Forschung im Ingenieurwesen (2023). doi:10.1007/s10010-023-00625-2, Published by Springer, Berlin ; Heidelberg

Der Wandel, den die Automobilindustrie momentan durchlebt, führt zu vielen Verände-rungen in der Fahrzeugentwicklung. Die meisten neuen Fahrzeugfunktionen basieren auf Soft-ware, was die Etablierung von neuen agilen Vorgehensweisen nach sich zieht. Davon ist auch der Prozessschritt der Absicherung und Freigabe betroffen. Hinzu kommt eine gestiegene Komplexität durch neue technologische Innovationen sowie durch neue Normen und Gesetze, die die Entwicklung beeinflussen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde in dieser Arbeit untersucht, wie eine generische Methode zur Absicherung und Freigabe von Fahrwerkfunktionen dargestellt werden kann. Mit der standardisierten Methode können Funktionen mit verschiedenen techni-schen Merkmalen getestet und freigegeben werden, um eine einheitliche Qualität zu gewähr-leisten. Fundament der Methode sind Ergebnisse hermeneutischer Untersuchungen gesetzli-cher und normativer Anforderungen. Zunächst wurden besondere Merkmale definiert, welche eine technische Eigenschaft von SW beschreiben oder durch die Software gewährleistet wer-den. Parallel wurden Testmodule entwickelt. Jedes Testmodul entspricht einer Testaktivität und beschreibt generisch u. a. Testziele, Testendekriterien und Testentwurfsverfahren. Mittels hermeneutischer Untersuchungen von Gesetzen und Normen wurden für jedes besondere Merkmal Testmodule bestimmt, welche auf verschiedenen Ebenen durchzuführen sind. Dar-aus ergibt sich ein modularer Testbaukasten, welcher während der Testplanung zum Einsatz kommt und im Vergleich zu anderen Methoden für eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen anwendbar ist. Weiterhin lag ein besonderes Augenmerk der vorliegenden Arbeit auf der Entwicklung eines generischen Freigabeverfahrens mit breitem Anwendungsspektrum innerhalb der Fahr-werkfunktionsentwicklung. Um effizient Freigaben erteilen zu können, basiert die Methode auf der Erreichung von Testendekriterien für verschiedene Freigabelevel. Dabei werden Risiken identifiziert, gegeneinander gewichtet und mit Eintrittswahrscheinlichkeiten pro Freigabelevel in Verbindung gebracht, um einen Eintrittsfaktor zu erhalten. Für jedes besondere Merkmal wird ein Gefahrenniveau systematisch ermittelt, um aus diesem in Zusammenhang mit dem Eintrittsfaktor das Testendekriterium zu bestimmen. Da es in der Praxis häufig zu Terminkonflikten kommt, wird die Methode mit Vorschlä-gen zur Testfallpriorisierung abgerundet. Dazu werden verschiedene Kriterien herausgearbei-tet, anhand derer die Priorisierung von Testfällen hinsichtlich Zeitmangels abgeleitet werden kann., The transformation that the automotive industry is currently undergoing is leading to many changes in vehicle development. Most new vehicle functions are based on software, which leads to the establishment of agile development procedures. This also affects the de-velopment steps of validation and release. In addition, there is an increased complexity due to new technological innovations as well as new standards and laws that influence the develop-ment. In order to meet these challenges, in this thesis an investigation of a generic method for validation and release of chassis functions is presented. With a standardised method the quality of test an release processes for functions with different technical characteristics is guar-anteed. The method is based on the results of hermeneutic investigations of legal and norma-tive requirements. First, special features were defined that describe a technical characteristic of software or that must be guaranteed by the software. In parallel, test modules were devel-oped. Each test module corresponds to a test activity and generically describes, among other things, test objectives, test end criteria and test design procedures. By means of hermeneutic studies of laws and standards, test modules were determined for each particular special fea-ture. Foe each feature the modules have to be carried out at different test levels. This results in a modular test kit, which is used during test planning. Compared to other test strategies this method is designed to be applied to a large number of different technical functions of the ve-hicle chassis. Furthermore, a special focus of the present work was on the development of a generic release procedure with a broad application spectrum within the chassis function development. In order to be able to issue releases efficiently, the method is based on the achievement of test exit criteria for different release levels. Risks are identified, weighted against each other and associated with probabilities of occurrence per release level to obtain an occurrence fac-tor. For each particular characteristic, a hazard level is systematically determined in order to determine the test exit criterion from this in connection with the occurrence factor. As there are often scheduling conflicts in practice, the method is rounded off with sug-gestions for test case prioritisation. For this purpose, various criteria are worked out. On the basis of these the prioritisation of test cases can be derived with regard to lack of time.