Search

simulationsunterstützte Weiterentwicklung eines Produktes mit dem Ziel der Material- sowie Energieeinsparung während des Herstellungsprozesses; konstruktive und simulative Optimierung des Kunststoff-Spritzgieß-Bauteils (Gewichtsreduktion, Einsparung von Zykluszeit) bei gleichzeitigem Erhalt der Funktion und mechanischen Eigenschaften; durch gekoppelte Simulation des Herstellungsprozesses und der Strukturmechanik konnten Herstellungskosten, Materialkosten sowie der Energieaufwand im Herstellungsprozess deutlich reduziert werden. Simulation-supported further development of a product with the aim of saving material and energy during the manufacturing process; constructive and simulative optimisation of the plastic injection moulding component (weight reduction, saving of cycle time) while at the same time maintaining the function and mechanical properties; through coupled simulation of the manufacturing process and the structural mechanics, manufacturing costs, material costs and the energy input in the manufacturing process could be significantly reduced.

Due to the high demand placed on today’s production systems, such as high flexibility or low cost and time requirements, simulations tools continue to gain more importance. With the help of simulation tools, complex production systems can be designed as well as examined in terms of feasibility before their actual physical existence in order to make them controllable and to avoid possible cost-intensive errors. However, creating and implementing a simulation model manually takes a considerable amount of time and expert knowledge regarding the used simulation tool. A promising approach for this is to automate the implementation of simulation models using existing data about product, processes and resources (PPR-Triple). Therefore, the simulation model should represent the layout as well as the executed processes and workflows. For this purpose, the presented paper focuses on the automatic workflow and process transfer to the 3D simulation environment of Visual Components. For the representation of the imported layout and process data AutomationML (AML) is extended and utilized as a data exchange format.

Der Einsatz von an Schwei��robotern angebrachten, pneumatisch bet��tigten Spannrollen erm��glicht eine Steigerung der Flexibilit��t beim Remote-Laserstrahlschwei��en im Karosseriebau. Dabei stellen die Auslegung der Spannkr��fte, der F��gevorrichtungen und der fertigungsgerechten Bauteiltoleranzen eine Herausforderung dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Spann- und F��geprozess des Remote-Laserstrahlschwei��ens mit Einsatz einer Spannrolle untersucht. Die Untersuchung erfolgte experimentell und simulativ f��r Blechformteile aus Stahl und Aluminium sowie f��r Aluminiumgussbauteile. Zur simulativen Untersuchung wurden validierte Finite-Elemente Simulationsmodelle erarbeitet, die erstmalig den Einsatz einer flexiblen Spannrolle im Karosseriebau abbilden. Die Simulationsmodelle erm��glichen die Berechnung von Spannprozessen auf drei Arten: weggesteuert mit vollst��ndiger Vorgabe der Rollenbewegung, kraftgesteuert mit Vorgabe eines Spannkraftverlaufs und kraftgeregelt mit Vorgabe gew��nschter resultierender F��gespalte. Auf Basis der Untersuchungen wurden prozess- und bauteilseitige Ma��nahmen zur Reduktion erforderlicher Spannkr��fte und resultierender F��gespalte identifiziert und ein grundlegendes Prozessverst��ndnis f��r den neuartigen Fertigungsprozess aufgebaut., The use of pneumatically actuated clamping rolls attached to welding robots enables an increase in flexibility in remote laser welding in the Body in White shop. The design of the clamping forces, the joining devices and the component tolerances suitable for production represent a challenge. In this work, the clamping and joining process of remote laser welding with a clamping roll was investigated. The investigation was carried out by experiments and simulations with sheet metal parts made of steel and aluminum, as well as for cast aluminum components. For the simulative investigation, validated finite element simulation models were developed, which represent the use of a flexible clamping roll in the Body in White shop for the first time. The simulation models enable the calculation of clamping processes in three ways: displacement-controlled with complete specification of the roll movement, force-controlled with specification of the clamping force progress and force-regulated with specification of the desired resultant joint gaps. Based on the investigations, process- and component-related solutions for reducing the required clamping forces and the resultant joint gaps were identified and a fundamental process understanding for the novel manufacturing process was developed., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 384

Die Anforderungen an industrielle Applikationen stehen vor immer neuen Herausforderungen und dem Erreichen höherer Effizienzen. Dies gilt auch für die Walzwerksbranche und darin speziell den Warmwalzwerken. In diesen ist aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen ein Sensoreinsatz nur eingeschränkt möglich. Für die Prozessoptimierung wird allerdings ein möglichst hoher Grad an Wissen über den Anlagenzustand benötigt, um daraufhin Optimierungen durchzuführen. In dieses offene Entwicklungsfeld liefert die vorliegende Arbeit einen Beitrag. Es wird zuerst die dynamische Modellierung des Walzprozesses für einen Fertigwalzblock für Stabstahl durchgeführt. Anschließend werden optimalitätsbasierte Verfahren zur Schätzung von Zustandsgrößen beschrieben und abschließend eine optimalitätsbasierte Regelung vorgestellt. Dabei betreffen die hier betrachteten Anlagenzustände vor allem den Materialfluss – die Materialgeschwindigkeiten und -querschnittsflächen sowie die Längsspannungen zwischen den einzelnen Walzgerüsten. Diese Größen sind im betrachteten Anlagenlayout nicht als Messgrößen verfügbar, liefern aber einen essentiellen Einblick in das Prozessverhalten. Für die mathematische Modellierung des Walzprozesses werden physikalisch basierte Ansätze verwendet, die das Umformverhalten im Walzspalt darstellen, aber auch das Verhalten der kinematischen Größen. Dynamiken, die durch den Antriebsstrang der Walzen eingebracht werden und auch die Verkopplung der Walzgerüste untereinander, führen zu dem Gesamtsystem, das als Simulator verwendet wird. Diese Modelle werden mit realen Anlagenparametern konfiguriert und anschließend mit Messwerten dieser Anlage validiert. Bei der Schätzung und der Regelung liegt der Fokus auf optimalitätsbasierten Verfahren, nämlich der Moving Horizon Estimation (MHE) zur Schätzung und dem Model Predictive Control (MPC) zur Regelung. Mit zusätzlichen Randbedingungen und Parametern aus der realen Anlage werden die nichtlinearen Optimierungsprobleme aufgestellt, die anschließend mit numerischen Solvern gelöst werden. Dabei wird der industrielle Aspekt berücksichtigt, dass Verschleiß und Unsicherheiten bei der Parametrierung zu Ungenauigkeiten in der Prozessbeschreibung führen. In der Arbeit wird ein Walzsimulator für N Walzgerüste erstellt, der für jedes Gerüst individuell parametrierbar ist und somit eine Vielzahl von möglichen Konfigurationen von Fertigwalzblöcken abdeckt. Davon ausgehend wird ein reduziertes, nichtlineares Materialflussmodell entwickelt, das als Grundlage für den MHE und MPC dient. Der MHE liefert den vollständigen Zustandsvektor des Materialflusses, der bislang in der Anlage nicht verfügbar ist. Außerdem werden walzspezifische Größen (z.B. der Umformgrad) und ihren Einfluss auf den Materialfluss online geschätzt. Der MHE/MPC-Ansatz wird erfolgreich am Walzsimulator angewendet und stellt den konstanten Materialfluss auch bei externen, unbekannten Störungen sicher. Es wird gezeigt, dass bei bekannten Störungen die Ausregelzeit um bis zu 20 % reduziert wird. Zusätzlich wird simulativ dargestellt, dass die Verwendung von Sensorik für die Eingangsgrößen, einen weiteren Performancegewinn darstellt. Im Vergleich mit konventionellen Reglerstrukturen stellt sich heraus, dass die Berücksichtigungen von Prozessbegrenzungen und Messung von externen Störgrößen eine signifikante Reduktion der Ausregelzeit mit sich führt. Abschließend wird exemplarisch gezeigt, wie die ermittelten Lösungen für einen echtzeitfähigen Betrieb umformuliert werden können und es wird ein Überblick zu den verschiedenen Laufzeiten der optimalitätsbasierten Verfahren gegeben., The requirements for industrial applications are constantly facing new challenges and the achievement of higher efficiencies. This also applies to the rolling mill industry and especially to hot rolling mills. In these, the use of sensors is only possible to a limited extent due to the harsh environmental conditions. For process optimization, however, the highest possible degree of knowledge about the plant condition is required in order to carry out optimizations on this basis. The present work makes a contribution to this open field of development. First, the dynamic modeling of the rolling process for a finishing rolling block for steel bars is carried out. Then, optimality-based methods for estimating state variables are described and, finally, an optimality-based control system is presented. The plant states considered here mainly concern the material flow – the material velocities and cross-sectional areas as well as the longitudinal stresses between the individual rolling stands. These quantities are not available as measured variables in the considered plant layout, but provide essential insight into the process behavior. For the mathematical modeling of the rolling process, physically based approaches are used which represent the forming behavior in the roll gap, but also the behavior of the kinematic variables. Dynamics introduced by the drive train of the rolls, and also the coupling between the rolling stands, lead to the overall system used as a simulator. These models are configured with real plant parameters and then validated with measured values from this plant. For estimation and control, the focus is on optimality-based methods, namely Moving Horizon Estimation (MHE) and Model Predictive Control (MPC). With additional constraints and parameters from the real plant, the nonlinear optimization problems are set up, which are then solved with numerical solvers. The industrial aspect that wear and uncertainties in parameterization lead to inaccuracies in the process description is taken into account. In this work, a rolling simulator for N rolling stands is created, which can be parameterized individually for each stand and thus covers a large number of possible configurations of finishing rolling blocks. From this, a reduced nonlinear material flow model is developed to serve as the basis for the MHE and MPC. The MHE provides the complete state vector of the material flow, which is not available in the plant so far. In addition, roll-specific variables (e.g., the degree of deformation) and their influence on the material flow are estimated online. The MHE/MPC approach is successfully applied to the rolling simulator and ensures constant material flow even in the presence of external, unknown disturbances. It is shown that for known disturbances, the settling time is reduced by up to 20 %. In addition, it is shown in simulation that the use of sensors for the input variables, represents a further performance gain. In comparison with conventional controller structures, it is shown that the consideration of process limitations and measurement of external disturbance variables leads to a significant reduction of the settling time. Finally, an example is given of how the determined solutions can be reformulated for real-time operation, and an overview is given of the different runtime durations of the optimality-based methods.

Pulvermetallurgische (PM) Bauteile erfreuen sich in Gro��serien aufgrund ihrer endkonturnahen Herstellung im Automobilbau gro��er Beliebtheit. Im Zuge notwendiger Verbesserungen der Materialeffizienz steigen die Anforderungen an die Beanspruchbarkeit von bewegten Bauteilen. Das Einsatzh��rten hat sich in der Serie dabei als attraktives Verfahren zur Steigerung der Bauteilbeanspruchbarkeit etabliert. An den Einsatzh��rteprozess werden aufgrund der in PM-Bauteilen vorliegenden Porosit��t jedoch erh��hte Anforderungen der Prozesskontrolle gestellt. W��hrend sich bereits viele Autoren mit der experimentellen Beschreibung von einsatzgeh��rteten Bauteilen besch��ftigten, sind nur wenige Arbeiten auf dem Gebiet des Carbonitrierens bekannt. Dar��ber hinaus gibt es bisher keine simulative Beschreibung des Abschreckprozesses carbonitrierter Randschichten und des sich daraus einstellenden Randschichtzustandes. Die vorliegende Arbeit wurde mit dem Ziel durchgef��hrt, die oben genannten Fragestellungen zur Beschreibung der metallurgisch-thermomechanischen Vorg��nge beim Carbonitrieren pulvermetallurgischer Bauteile zu beantworten. Damit soll einerseits der Massentransport von Kohlen- und Stickstoff in Abh��ngigkeit der Dichte, und andererseits die Auswirkung von interstitiell gel��stem Kohlen- und Stickstoff auf die Umwandlungsvorg��nge und resultierenden Werkstoffkennwerte ermittelt und modellhaft beschreibbar gemacht werden. Dazu wurden in Versuchsreihen unverdichtete Bauteile und mittels Festwalzen oberfl��chennah verdichtete Bauteile der Grunddichten 6,9 g/cm��, 7,2 g/cm�� und 7,35 g/cm�� in insgesamt zehn unterschiedlichen Carbonitrier-Zust��nden untersucht. Aus der Menge an Elementtiefenverl��ufen konnte ein ��bergeordnetes Modell zur Beschreibung der Diffusion in Abh��ngigkeit der Porosit��t f��r Kohlen- und Stickstoff entwickelt und validiert werden. Von numerischer Seite wurde ein Modell auf Basis der Finite- Differenzen-Methode zur Berechnung zweiphasiger Diffusion implementiert und verifiziert, das eine Ber��cksichtigung der Wechselwirkung von Kohlen- und Stickstoff erlaubt. Zur Beschreibung des metallurgisch-thermomechanischen Materialverhaltens wurden insgesamt sieben chemische Kombinationen aus Kohlen- und Stickstoff dilatometrisch untersucht. Durch Einf��hrung eines effektiven Elementgehaltes konnte eine vereinfachte Beschreibung etabliert und damit der Gro��teil der untersuchten Materialkenngr����en vereinfacht abgebildet werden. Hierbei zeigte sich eine eher untergeordnete Beeinflussung der Materialkenngr����en durch den Stickstoff im Vergleich zum Kohlenstoff. Zur Untersuchung der aus dem Carbonitrierprozess resultierenden Randschichtzust��nde wurden die o.g. Dichten in sechs verschiedenen Carbonitrier-Prozessen untersucht. Im Rahmen der Untersuchung wurden f��nf Zust��nde angelassen und einer im geh��rteten Zustand und anschlie��end angelassenen Zustand untersucht. Die durch die Simulation vorhergesagten Werte f��r H��rte und Restaustenitgehalt zeigten eine gute ��bereinstimmung mit den gemessenen Werten. Die Validierung der Eigenspannungen konnte nur an der geh��rteten Variante erfolgen. Es konnte gezeigt werden, dass die Anlass-W��rmebehandlung eine deutliche Ver��nderung des Eigenspannungszustandes bewirkt, die durch die Abschreck-Simulation nicht ber��cksichtigt werden kann. Durch die durchgef��hrten Untersuchungen kann die Vorhersage resultierender Randschichtzust��nde nach dem Carbonitrieren pulvermetallurgischer St��hle in Abh��ngigkeit der Dichte in einem Vertrauensbereich von 20% erreicht werden. Carbonitrierte Bauteile konnten in abschlie��enden spannungskontrollierten Erm��dungsversuchen vergleichbare Festigkeiten wie rein aufgekohlte Einsatzh��rtezust��nde erreichen.

Circular Economy (CE) aims at improving the resource efficiency of our society and decoupling economic growth from resource use. However, entropy and residues are still generated in CE, and resources such as energy, raw materials and water are used throughout the CE processes. The methodology developed in this thesis aims at evaluating and communicating the resource efficiency and environmental impacts of CE systems. Firstly, a digital twin of the system is created using process simulation to obtain detailed mass and energy balances. Then, a set of indicators is obtained for the evaluation of the material recoveries, residues and emissions generated, resource use and environmental impacts (LCA). Exergy indicators such as exergy dissipation and cost are also obtained from the simulation using a dedicated tool developed and implemented within this thesis. This methodology has been applied in three case studies within metallurgy and CE to evaluate, optimize and communicate their resource efficiency and environmental impacts. These case studies are the evaluation of the copper value chain, the comparison between different zinc production routes and the industrial symbiosis between the copper, zinc and cement value chains.

Biogas is composed mostly of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) and it is a renewable energy carrier of increasing importance because it can complement other intermittent sources such as wind and solar quite well. Methane activation enables the production of valuable biochemicals and biofuels from biogas. This thesis investigates bio-ethylene (C2H4) production via the Oxidative Coupling of Methane (OCM) contained in biogas by means of process modeling, simulation, and optimization followed by a techno-economic evaluation., Biogas enthält hauptsächlich Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) und ist ein wichtiger erneuerbarer Energieträger, da dieser schwankende Energiequellen wie Wind und Sonne gut ergänzt. Weiterhin könnte eine Methanaktivierung die Produktion hochwertiger Biochemikalien und Biotreibstoffe aus Biogas ermöglichen. Diese Doktorarbeit untersucht die Herstellung von Bioethylen (C2H4) durch oxidative Kopplung von Methan, mit Biogas als Methanquellen, auf der Basis von Prozessmodellierung, -Simulation, und -Optimierung, gefolgt von einer Wirtschaftlichkeitsanalyse.

Es wurde eine neue Methode zur praxisnahen Katalysatortestung, abgestimmt auf die Konversion von alternativen Synthesegasen zu Energietr��gern und chemischen Grundstoffen, entwickelt. Die Methode umfasst die Katalysatortestung im Miniplant-Ma��stab, die Testung im Laborma��stab mit Realgasen und Prozesssimulation. Die Methode wurde im Rahmen der Synthese h��herer Alkohole, der Dimethylether Synthese (DME) und der Methanol Synthese aus H��ttengasen, angewendet. Prozesssimulation wurde verwendet, um realistische Versuchsbedingungen f��r die Katalysatortestung zu berechnen. Die experimentellen Ergebnisse dienten der Validierung und Verbesserung eines Prozessmodells f��r eine gro��technische Methanol Synthese auf Basis von H��ttengasen. Insgesamt konnte der Anwendungsbereich der Katalysatortestung in Miniplant-Anlagen durch die Kombination von praktischer Katalysatortestung und Prozesssimulation erweitert werden.

Sheet Molding Compounds (SMC) sind diskontinuierlich faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Verbundbauteile mit langen Fasern zu geringen Kosten zu realisieren, weit verbreitet sind. Sie ermöglichen Funktionsintegration, wie etwa den Einsatz von Rippen oder metallischen Einsätzen, und können mit kontinuierlichen Kohlenstofffasern gemeinsam verarbeitet werden, um die Formbarkeit von SMC mit den überlegenen mechanischen Eigenschaften von kontinuierlichen Fasern zu kombinieren. Das Streben nach hochintegrierten und komplexeren SMC-Bauteilen erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Verarbeitungsmechanismen und deren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines Bauteils. Prozesssimulationen adressieren diesen Punkt, indem sie mögliche Fertigungsfehler und Prozess- parameter vorhersagen. Diese Ergebnisse können nicht nur zur Prozessauslegung und zur Reduzierung von Trial-and-Error-Phasen genutzt werden, sondern auch für die anschließende Struktursimulation durch eine virtuelle Prozesskette. In dieser Arbeit wird die Prozesssimulation von SMC zunächst mit einem makroskopischen Referenzmodell auf Basis von Faserorientierungstensoren adressiert. Dies entspricht dem Stand der Forschung, aber die zugrundeliegenden Annahmen von geraden Fasern, die viel kürzer als jedes geometrische Merkmal sind, werden in anspruchsvollen SMC-Anwendungen oft verletzt. Dies führt zu der Hypothese, dass eine direkte Simulation einzelner Faserbündel erforderlich ist, um den SMC-Formfüllprozess komplexer Geometrien genau zu beschreiben. Basierend auf dieser Hypothese wird eine neuartige direkte Bündelsimulationsmethode (DBS) vorgeschlagen, die eine direkte Simulation auf Komponentenebene ermöglicht und dabei die Beobachtung nutzt, dass Faserbündel während des SMC Fließpressens oft in einer gebündelten Konfiguration verbleiben. Das entwickelte DBS Modell kann mit Patches kombiniert werden, um den Co-Molding-Prozess von SMC mit kontinuierlichen Faserverstärkungen zu simulieren. Daher wird ein Modell zur Beschreibung des Materialverhaltens von unidirektionalen Kohlenstofffaser-Patches einschließlich eines einfachen Schädigungsmodells zur Vorhersage von Defekten entwickelt. Die Parameter des makroskopischen Referenzmodells, des DBS-Modells und des Patch-Modells werden experimentell bestimmt. Dazu gehören die thermischen Eigenschaften des SMCs, die temperaturabhängige und ratenabhängige Viskosität der SMC-Paste, die Reibung an der Werkzeugwand sowie die Kompressibilität des SMCs. Ebenso werden die temperaturabhängigen und ratenabhängigen mechanischen Eigenschaften der Patches bestimmt, die jedoch große Streuungen zwischen den Proben und Chargen aufweisen. Schließlich werden die Modelle auf mehrere Validierungsfälle angewandt, um die Anwendbarkeit auf Komponentenebene zu bewerten. Die Beispiele zeigen eine gegenüber dem makroskopische Referenzmodell verbesserte Vorhersage der Faserarchitektur, insbesondere der Faserorientierung in der Nähe von Werkzeugwänden sowie der Vorhersage von Bindenähten und Fließmarken. Zusätzlich bietet das DBS Modell die Option, Krümmungen der Bündel vorherzusagen und den Faservolumenanteil zu berechnen, welche durch Mikro-Computertomographie, thermisch gravimetrische Analysen und Durchleuchtungsbilder validiert werden.

Der globale Klimawandel und seine Folgen gefährden die Natur und die Lebensgrundlage der Menschen. Um die Erderwärmung auf 1,5 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, muss die Emission von Treibhausgasen, insbesondere CO2, in den nächsten drei Jahrzehnten drastisch reduziert werden und auf lange Sicht eine Treibhausgasneutralität angestrebt werden. CO2-neutrale synthetische flüssige Kraftstoffe können zur Dekarbonisierung des Verkehrssektor und damit zum Erreichen der Ziele der Energiewende beitragen. Flüssige Kraftstoffe sind gegenüber alternativen Mobilitätskonzepten für den mittelfristigen Einsatz in Bestandsfahrzeugen und, insbesondere aufgrund ihrer hohen volumetrischen Energiedichten, für einen nachhaltigen Schwerlast-, Schiffs- und Flugverkehr interessant. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Herstellung von Dieselsubstituenten (Kohlenwasserstoffe der Mitteldestillatfraktion) über die Syntheseroute der Fischer-Tropsch Synthese (FTS) in Kombination mit Hydrocracken (HC). Dieselkraftstoff ist eines der wichtigsten Mineralölprodukte und vorwiegender Kraftstoff im Schwerlastverkehr. Die Syntheseroute auf Basis der FTS ermöglicht die Herstellung eines direkt einsetzbaren Kraftstoffes im Sinne einer Drop-in Lösung. Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der Herstellung von Dieselsubstituenten durch die Kombination bzw. Integration von FTS und HC. Auch wenn die FTS und das HC bereits seit Jahren im industriellen Maßstab entwickelte Verfahren sind, leistet die Arbeit einen Beitrag, konkrete Fragestellungen bezüglich der praktischen und wirtschaftlichen Anwendung beider Reaktionen als Baustein eines sogenannten Power-to-Liquid (PtL)-Prozesses zu klären. Vor allem aufgrund der lokalen Verfügbarkeit und Volatilität von Strom aus erneuerbaren Energiequellen werden im Rahmen der Energiewende für PtL-Prozesse kleinskalige modulare containerbasierte Anlagen an begünstigten Standorten in einer dezentralen Produktionsstruktur diskutiert. Besondere Anforderungen an den FT/HC-Prozess liegen dabei in der Skalierbarkeit auf unterschiedliche Kapazitäten und der Lastflexibilität. Es müssen kompakte und einfache Prozesse durch Minimierung der Prozessschritte entwickelt werden und gleichzeitig die Prozesseffizienz aufrechterhalten oder sogar verbessert werden. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den experimentellen Untersuchungen der Integration von FTS und HC in mikrostrukturierten Reaktoren ausgehend von Synthesegas. Ein zusätzlicher Aspekt ist die Untersuchung der direkten CO2-Aktivierung bei der FTS, um den Gesamtprozess weiter zu verschlanken. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Modellierung der FTS und des HC sowie weiteren ausgewählten Prozessschritten des PtL-Prozesses. Die mathematischen Modelle sollen dabei durch die experimentellen Daten validiert werden. Im Anschluss an die Modellierung der einzelnen Prozesseinheiten wird eine Prozesssimulation des PtL-Prozesses durchgeführt. Abschließend sollen Gestaltungsrichtlinien für die Integration der FTS und des HC auf Reaktorebene sowie für den PtL-Prozess abgeleitet werden.

Selective laser melting (SLM) is gaining increasing relevance in industry. Residual deformations and internal stresses caused by the repeated layerwise melting of the metal powder and transient cooling of the solidified layers still presents a significant challenge to the profitability and quality of the process. Excessive distortions or cracking may lead to expensive rejects. In practice, critical additively manufactured parts are either iteratively pre-compensated or redesigned based on production experience. To satisfy the need for improved understanding of this complex manufacturing process, CAE software providers have recently developed solutions to simulate the SLM process. This study focuses on the evaluation of two solutions by ANSYS, i.e. ANSYS Additive Print and ANSYS Additive Suite. ANSYS Additive Print (AAP), a user-oriented software, and ANSYS Additive Suite (AAS), a software requiring advanced experience with Finite Element Methods (FEM), are investigated and validated with regard to residual deformations. For the evaluation of the two programs, calibration and validation geometries were printed by SLM in Ti–6Al–4V and residual deformations have been measured by 3D scanning. The results have been used for the calibration of isotropic and anisotropic strain scaling factors in AAP, and for sensitivity analyses on the effect of basic model parameters in AAS. The actual validation of the programs is performed on the basis of different sample geometries with varying wall thickness and deformation characteristic. While both simulation approaches, AAP and AAS, are capable of predicting the qualitative characteristics of the residual deformations sufficiently well, accurate quantitative results are difficult to obtain. AAP is more accessible and yields accurate results within the calibrated regime. Extrapolation to other geometries introduces uncertainties, however. AAS, on the other hand, features a sounder physical basis and therefore allows for a more robust extrapolation. Numerical efforts and modelling uncertainties as well as requirements for an extensive set of material parameters reduce its practicality, however. More appropriate calibration geometries, continuing extension of a more reliable material database, improved user guidelines and increased numerical efficiency are key in the future establishment of the process simulation approaches in the industrial practice., Industrial Engineering; Manufacturing Engineering; Computational Mechanics; Process Modeling; Computer-Aided Engineering; Solid Mechanics; Welding; Mechanical Property; Structural Analysis; Structural Behavior; Additive manufacturing; Selective laser melting; process simulation; Distortion; Shape Deviation; Inherent Strain Method; Thermo-Mechanical Simulation; Calibration; Validation; ANSYS.

Faser-Verbund-Werkstoffe ermöglichen Leichtbautragstrukturen, welche mit konventionellen Werkstoffen nicht umsetzbar sind. Deren Großserienfertigung ist allerdings auch heute noch eine große Herausforderung. Aufgrund des hohen Kostendrucks gilt dies insbesondere für den Automobilbau. Hinderlich wirken zum einen die hohen Materialkosten bei Verwendung von Kohlenstofffasern, und zum anderen die im Vergleich zu Stahlwerkstoffen lange Zykluszeit in der Bauteilfertigung. Eine Lösung für Letzteres stellen hochreaktive, schnellhärtende Matrixwerkstoffe in Verbindung mit modernen Harzinjektionsprozessen dar. Durch die schnelle Aushärtung können Zykluszeiten reduziert und die Wirtschaftlichkeit des Prozesses gesteigert werden. Die Beschleunigung der Prozessabläufe erschwert allerdings die Auslegung des Prozesses, da z.B. das mögliche Zeitfenster für die Realisierung der Formfüllung deutlich verkürzt wird. Die Findung einer optimalen Prozessführung erfordert unter diesen Bedingungen ein großes Erfahrungswissen. Dessen Generierung wird durch das Ablaufen des Prozesses innerhalb des geschlossenen Werkzeugs, und damit im Verborgenen, gehemmt. An dieser Stelle greift die Prozesssimlation an, welche einen detaillierten Einblick in die Abläufe der einzelnen Prozessschritte ermöglicht. In der vorliegenden Arbeit wird daher der Aushärteprozess des Matrixwerkstoffs mithilfe von Strömungs- und Struktursimulationen begleitet. Neben der Entwicklung von geeigneten Materialmodellen, wird auch die Ermittlung von notwendigen Kennwerten vorgestellt. Der Einfluss der Aushärtung beginnt mit dem Vermischen der Harzkomponenten am Anguss des Injektionswerkzeugs. Von diesem Zeitpunkt an ergibt sich die für das Fließverhalten der Matrix charakteristische Viskosität aus der wirkenden Temperatur und dem erreichten Aushärtegrad. Die akkurate experimentelle Charakterisierung dieses wichtigen Zusammenhangs ist eine Grundvoraussetzung für aussagekräftige Simulationsergebnisse. Die hohe Reaktivität der verwendeten schnellhärtenden Harze fordert allerdings etablierte Methoden heraus. Durch deren Trägheit ist eine zuverlässige Messung der Viskosität während des für die Formfüllung wichtigen Zeitfensters erschwert. Um dieses Problem zu lösen, wird eine automatisierte Lösung zur Herstellung sowie Einbringung von Proben in ein Rheometer entwickelt. Hierdurch kann ein Großteil des prozessrelevanten Zeitfensters in der anschließenden Messung erfasst werden. Da diese Daten für die Parametrierung von Viskositätsmodellen herangezogen werden, ergibt sich ein großes Fehlerpotential, wenn unzureichende Informationen zum Verlauf der Viskosität während der Dauer der Formfüllung vorliegen. Dies wird in der vorliegenden Arbeit mittels Formfüllsimulationen einer komplexen Unterbodenstruktur demonstriert, welche einen signifikanten Einfluss auf den Verlauf und die Höhe des Kavitätsdrucks aufzeigen. Diese Erkenntnis ist daher insbesondere für die Simulation von druckgeregelten Prozessen, wie z.B. Pressure-Controlled Resin Transfer Molding (PC-RTM), von großer Wichtigkeit. Im weiteren Verlauf der Aushärtung findet ein Übergang der Matrix von einem Fluid zu einem Feststoff statt. Dieser Zeitpunkt wird durch den Gelpunkt definiert. Ist dieser überschritten, ist der Werkstoff in der Lage Kräfte zu ertragen. Daher führen prozessinduzierte Dehnungen, aufgrund von chemischer Schwindung oder Temperaturänderung, ab diesem Zeitpunkt zu Eigenspannungen. Nach Entformung des Bauteils führen diese schließlich zu Gestaltsabweichungen, welche die Maßhaltigkeit negativ beeinflussen und somit zu erhöhtem Ausschuss führen können. Die Vorhersage des Bauteilverzugs mithilfe von Simulation ist daher eine wichtige Voraussetzung, um dies zukünftig, bspw. durch eine Anpassung der Werkzeuggeometrie, zu vermeiden. In der vorliegenden Arbeit werden die zugrundeliegenden Mechanismen und deren Wechselwirkung mit Prozessrandbedingungen analysiert. Für die numerische Berechnung des Verzugs werden zudem elastische sowie viskoelastische Materialmodelle parametriert und in Form von Subroutinen implementiert. Die Ergebnisse werden anhand von L-Winkel-Proben experimentell validiert. Zusätzlich wird auch hier wieder die komplexe Unterbodenstruktur als praxisrelevantes Anwendungsbeispiel herangezogen. Eine gute Übereinstimmung zwischen Versuch und Simulation wird dabei immer dann erzielt, wenn die Entformung der Bauteile ohne das Aufbringen von nennenswerten Kräften möglich ist. Ist dies nicht vermeidbar, ergeben sich zum Teil große Abweichungen, welche zudem vom Laminataufbau abhängen. Hier gilt es zukünftig anzusetzen, um sowohl die Prognosegüte als auch die Zuverlässigkeit der Prozesssimulation weiter zu erhöhen.

Mithilfe von Softwarelösungen können verschiedene Anlagenauslegungen simuliert und beurteilt werden, um das optimale Anlagen-Layout systematisch am PC zu entwickeln. Dabei sind Reinigungs-, Lackier- und UV Härtungsprozesse mit der multifunktionalen Simulationssoftware gleichermaßen abbildbar.

Die ganzheitliche virtuelle Auslegung von Faserverbundbauteilen aus Sheet Molding Compund (SMC) ermöglicht es durch die Berücksichtigung von Fertigungseffekten in der Struktursimulation, bedarfsgerechtere und somit leichtere und günstigere Bauteile zu fertigen. Hierfür muss jedoch die Prozesssimulation in der Lage sein, die SMC-spezifischen Blockströmung auf Grund der niedrig-viskosen Randschicht richtig zu beschreiben. Nur so kann das richtige Füllverhalten und somit auch die richtige Faserorientierungsverteilung vorhergesagt werden. Dies wird gerade im Kontext des zunehmenden Einsatzes von semi-strukturellen SMC-Formulierungen besonders wichtig. Darüber hinaus gibt es neue Konzepte der Hybridisierung von SMC mit lokalen unidirektionalen Verstärkungen, welche ebenfalls in der Prozesssimulation berücksichtigt werden müssen, um die Positionierung der Verstärkungen abzusichern. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein neuer dreidimensionaler Ansatz für die Prozesssimulation von SMC entwickelt, der sowohl die durch Dehnviskosität dominierte Kernschicht, als auch die niedrig-viskose Randschicht berücksichtigt. Durch die Verwendung des gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatzes, kann auch die Interaktion zwischen SMC und lokalen Verstärkungen abgebildet und vorhergesagt werden. Um die Informationen aus der Prozesssimulation in die Struktursimulation zu übertragen, wurde eine CAE-Kette weiterentwickelt, die das Übertragen der Information vom Prozess- zum Strukturnetz ermöglicht. Hierbei wird sowohl eine Cluster-Bildung, als auch eine Homogenisierung auf Basis der Faserorientierungsverteilung durchgeführt. Zur experimentellen Analyse des Fließverhaltens, sowie zur Bereitstellung der benötigten validen Materialparameter für die Prozesssimulation, wurde ein neues rheologisches Fließpresswerkzeug entwickelt. Mit diesem Werkzeug wurden erstmal das kompressible Verhalten von semi-strukturellen SMC Formulierungen nachgewiesen und über einen phänomenologischen Ansatz beschrieben. Auf Basis dieser Kompressibilitätsformulierung konnte ein neues rheologisches Model entwickelt, das eine genauere Charakterisierung ermöglicht. Durch die Charakterisierung von fünf unterschiedlichen SMC-Materialformulierungen, konnten einige Gesetzmäßigkeiten der Materialparameter abgeleitet werden.

Die Festigkeit ausscheidungsgehärteter Werkstoffe wie Inconel 718 wird durch die chemische Zusammensetzung, den Herstellprozess, die Mikrostruktur und die Wärmebehandlung bestimmt. Diese komplexen Abhängigkeiten erfordern eine detaillierte Prozess- und Materialanalyse, um das Festigkeitspotenzial im gesamten Materiallebenszyklus optimal ausnutzen zu können. Die vorliegende Arbeit entwickelt dafür eine integrierte, physikalisch basierte Simulationskette, welche in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit die Kopplung der Legierungselemente mit der erreichbaren Materialfestigkeit ermöglicht. Ausgehend vom Erstarrungszustand werden die Thermodynamik und die Thermokinetik von IN718 basierend auf der CALPHAD-Methode mit MatCalc© berechnet. Die Streckgrenze wird anhand dieser thermokinetischen Daten berechnet. Die entscheidenden Festigkeitsbeiträge, Mischkristall- und Ausscheidungshärtung, werden auf Basis der Phasenchemie und der Interaktion zwischen Versetzungen und Ausscheidungen berechnet. Die Validierung der Ergebnisse erfolgt sowohl an umfangreichen Literaturdaten als auch an eigenen Experimenten an einkristallin gegossenen und additiv gefertigten IN718. Das additive Material wird ausgehend von einer Prozessfensteranalyse mit unterschiedlichen Materialeigenschaften hergestellt. Die erreichte hohe Modellgenauigkeit ermöglicht die Berechnung von Überalterungsprozessen von bis zu 50000 h. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt abschließend die Signifikanz einzelner Modellparameter und identifiziert Schlüsselgrößen der Werkstoff- und Prozessmodellierung.

Biogas wird heutzutage prim��r f��r die Stromund W��rmeerzeugung genutzt. Durch die in den kommenden Jahren zunehmenden erneuerbaren Erzeugungskapazit��ten am vorherrschenden Strommarkt, ist eine alternative Nutzung des Biogases notwendig, da dieses sonst nicht mehr rentabel eingesetzt werden kann. Eine m��gliche Form der Nutzung, ist die Aufbereitung des Biogases zu Bio-Methan. Bei Aufbereitungsverfahren zur Bio-Methan Veredelung, ist die CO2-Abtrennung ma��geblich f��r die Gesamt-Effizienz des Prozesses verantwortlich. Als Benchmark f��r die CO2-Abtrennung, wird das Verfahren der Aminw��sche angesehen, welches aber ebenfalls nicht als ausreichend wirtschaftlich betrachtet wird. Daher sind kosteng��nstigere Verfahren dringend erforderlich, die die Vorteile der Aminw��sche beibehalten und gleichzeitig die wesentlichen Nachteile beseitigt. Durch vielversprechende Vorversuche wird ein Temperaturwechseladsorptionsprozess (TSA) mit mehrstufigem Wirbelschichtdesign auf Basis eines festen Aminadsorbens entwickelt um ein effizienteres und deutlich kosteng��nstigeres Verfahren zur Erzeugung von Bio-Methan zur Verf��gung zu haben. Diese Doktorarbeit besch��ftigt sich daher mit der Entwicklung dieses neuartigen Prozesses im Hinblick auf einen effizienten W��rmehaushalt unter der Ber��cksichtigung einer innovativen W��rmeverschaltung sowie einem innovativen W��rmetauscherdesign. Um CO2 effizient abzuscheiden, ben��tigt der TSA-Prozess ein sehr gutes W��rmemanagement. Dadurch basiert sein Reaktordesign auf der Wirbelschichttechnologie, welches ideale Eigenschaften im Bereich des W��rmeaustausches besitzt. Untersuchungen wurden in einem Wirbelschicht-Versuchstand vorgenommen, welche die zu erwartenden W��rme��bergangskoeffizienten (HTC) zwischen Aminadsorbens und verschiedenen W��rme��bertragungseinheiten aufzeigen. Hierbei wurden Glattrohr-Geometrien und Rippenrohr-Geometrien vermessen. Es wurde festgestellt, dass Glattrohre um den ann��hernden Faktor 2 h��here HTC aufweisen (199 W/(mK)), als Rippenrohre (90 W/(mK)). Basierend auf den Ergebnissen der Rippenrohruntersuchungen, ist eine dimensionslose Kennzahl entwickelt worden, welche den HTC f��r einen bestimmten G��ltigkeitsbereich angibt. Diese entwickelte mathematische Korrelation kann in der Auslegungsberechnung f��r TSA-Wirbelschicht-Reaktoren verwendet werden und erm��glicht dadurch eine kompakte/effiziente Bauweise. Ein numerisches Simulationsprogramm wurde verwendet, um die fluid-dynamischen und W��rmetransport Eigenschaften des Wirbelschichtpr��fstandes abzubilden. Simulationsergebnisse zeigen deutlich, dass die fluid-dynamischen Eigenschaften genau abgebildet werden k��nnen. Die, in der Berechnung auftretenden, W��rme��berg��nge fallen deutlich geringer, im Vergleich zu den Experiment aus, was auf nicht abgebildete Mechanismen hindeutet. Thermodynamische Untersuchungen, bzw. Simulationen am TSA Verfahren wurden durchgef��hrt und zeigten, dass der Prozess f��r die Biogasaufbereitung m��glich ist und durch energetische sinnvolle Verschaltungen, wie zum Beispiel der Nutzung, der W��rmepumpentechnik und idealer W��rmerohre, effizient gef��hrt werden kann. Basierend auf der Entwicklung der Prozesssimulation, unter Ber��cksichtigung der W��rme��bertragungsexperimente mit der daraus abgeleiteten dimensionslosen Kennzahl, konnte ein optimiertes W��rmetauscherdesign vorgeschlagen und im Hinblick auf seine Gr����e, sowie Kosten untersucht werden. Die Einbringung von idealen W��rmeintegrationsma��nahmen hat eine signifikante Auswirkung auf den W��rmehaushalt im TSA System. Durch diese durchgef��hrten w��rmetechnischen Ma��nahmen wird erm��glicht, dass der neuartige TSA-Prozess f��r die Biogasaufbereitung h��here thermische Effizienz aufweist., Today, biogas is primarily used to generate electricity and heat. Due to the increasing renewable generation capacities on the prevailing electricity market in the coming years, an alternative use of biogas is necessary, otherwise it can no longer be used profitably. One potential form of utilization is the upgrading of biogas into bio-methane. In purification processes for bio-methane refinement, the CO2 separation is significantly responsible for the overall efficiency of the process. As benchmark for the CO2 separation, the process of amine scrubbing is considered, which is also not sufficiently economical. Therefore, cost-effective processes are urgently needed that maintain the benefits of amine scrubbing while eliminating the major drawbacks. By promising preliminary experiments a temperature swing adsorption process (TSA) with multi-stage fluidized bed design based on a solid amine adsorbent will be developed in order to have a more efficient and significantly more cost-effective process available for the production of bio-methane. This doctoral thesis therefore deals with the development of this novel process with regard to an efficient heat balance under consideration of an innovative heat interconnection as well as an innovative heat exchanger design. To separate CO2 efficiently, the TSA-process needs a very good heat management. Thus its reactor design is based on fluidized bed technology, which has ideal performance in the field of heat exchange. Investigations were carried out in a fluidized bed test facility which showed the expected heat transfer coefficients (HTC) between amine adsorbent and different heat exchanger units. Here, bare tube geometries and finned tube geometries were measured. It was observed that bare tubes have HTC (199 W/(mK)) higher than finned tubes (90 W/(mK)) by a factor of approximately 2. Based on the results of the finned tube investigations, a dimensionless number has been developed which indicates the HTC for a certain validity range. This developed mathematical correlation can be used in the design calculation for TSA fluidized bed reactors and thus enables a compact/efficient design. A numerical simulation program was used to reproduce the fluid-dynamic and heat transport properties of the fluid bed test facility. Simulation results clearly show that the fluid dynamic properties can be accurately modeled. The heat transfers occurring in the calculation are significantly lower compared to the experiments, which indicates that the particle properties are not to be represented. Thermodynamic investigations and simulations of the TSA-process were carried out and showed that the process for biogas treatment is possible and can be efficiently managed by energetically sensible connections, for example the utilization of heat pump technology and ideal heat pipes. Based on the development of the process simulation, under consideration of the heat transfer experiments with the dimensionless number derived from it, an optimized heat exchanger design could be proposed and investigated regarding its size, as well as costs. The incorporation of ideal heat integration measures has a significant effect on the heat balance in the TSA-system. These thermal engineering measures made it possible for the new TSA-process for biogas upgrading to exhibit higher thermal efficiency.

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule , 2019; Aachen 1 Online-Ressource (x, 140 Seiten) : Illustrationen, Diagramme (2020). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, 2019, Due to their increasing complexity, it has become difficult to plan, monitor, and analyse manufacturing processes in modern industrial plants without appropriate software support. The corresponding software systems usually feature digital twins of the components, machines, tools, and products involved in the manufacturing processes. These digital twins integrate the properties and abilities of their physical counterparts in a digital model that can be used to simulate its behaviour during process execution. However, the processes investigated with digital twins cannot be analysed by simulation without having a detailed model first. When modelling those processes, one has to focus on their timing, as these processes tend to be highly complex and tightly coupled. This thesis develops an innovative architecture for process modelling and simulation for eRobotics applications. The core of this architecture consists of hierarchical, interpreted, non-autonomous Petri Nets. Those Petri Nets are used to model processes on different layers of abstraction. They support the flexible and efficient execution of these processes in simulation in a development environment for digital twins. The textually modelled Petri Nets conform to the custom eRobotics process meta model and can follow a discrete-event, discrete-time/quasi-continuous or a hybrid-time paradigm to represent the processes' temporal behaviour. The architecture also includes a novel visual process-modelling concept for industrial applications. This concept is designed as an extension of the Petri Net based approach to process modelling and aims to offer a highly usable approach to process modelling. In this concept, the most concrete level of the process model hierarchy is modelled using Petri Nets, while the more abstract hierarchy levels utilize visually modelled process workflow networks. With this separation, the \ABs concept combines the flexibility and expressiveness of Petri Net based modelling with the usability and intuitive accessibility of a custom visual development environment. The aforementioned components of the presented process modelling architecture were implemented in the 3d simulation system VEROSIM. The implementation provides parser and interpreter plug-ins to integrate textual Petri Net models into the simulation environment. The concepts for visual process modelling, including a custom visual process flow editor were integrated in the same way. The implemented architecture was successfully used for process modelling and simulation in a wide range of application areas and scopes, ranging from forestry over micro-optical assembly up to on-orbit satellite servicing. Thereby, it has proven to be a flexible and versatile tool for process developers., Published by Aachen