620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
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This paper investigates four different mobile robots with respect to their drivingcharacteristics and soil preservation properties in an agricultural environment.Thereby, robots of classical design from agriculture as well as systems from spacerobotics with advanced locomotion concepts are considered to determine theindividual advantages of each rover concept with respect to the application domain.Locomotion experiments were conducted to analyze the general driving behavior,tensile force, and obstacle‐surmounting capability and ground interaction of eachrobot. Various soil conditions typical for the area of application are taken intoaccount, which are varied in terms of moisture and density. The presented workcovers the specification of the conducted experiments, documentation of theimplementation as well as analysis and evaluation of the collected data. In theevaluation, particular attention is paid to the change in driving characteristics underdifferent soil conditions, as well as to the soil stress caused by driving, since soilquality is of critical importance for agricultural applications. The analysis shows thatthe advanced locomotion concepts, as used in space robotics, also have positiveimplications for certain requirements in agricultural applications, such as maneuver-ability in wet conditions and soil conservation. The results show potential for designinnovations in agricultural robotics that can be used, to open up new fields ofapplication for instance in the context of precision farming.
In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung eines Schlitzplatten-Mikromischers zur Produktion von O/W-Emulsionen in der Lebensmittelindustrie untersucht. Das verwendete System besteht aus dem Modularen MikroReaktions System (MMRS) der Firma Ehrfeld BTS, einer Mahr Mikrozahnradpumpe, einer HNPM Mikrozahnringpumpe, einer Temperiervorrichtung und Kapillaren zur Verbindung der einzelnen Komponenten. Zur Beurteilung des Emulgierergebnisses wird die Tropfengröße der Öltröpfchen mithilfe eines Malvern Mastersizers 2000 bestimmt. Hierzu erfolgt zunächst eine Identifikation der relevanten Prozessparameter. Mithilfe einer ausführlichen Evaluation der Mischgeometrie, der Geschwindigkeit der Fluide und der Ölkonzentration können die Effekte und Wechselwirkungen herausgearbeitet werden. Alle hergestellten Emulsionen weisen eine bimodale Tropfengrößenverteilung auf. Dennoch kann festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit, dicht gefolgt von der Konzentration, den größten Einfluss auf das Emulgierergebnis hat. Hierbei kann die Geschwindigkeit analog zum Energieeintrag betrachtet werden. Eine weiterführende Untersuchung der Parameter Temperatur und Energieeintrag zeigt, dass die Temperatur einen starken Einfluss auf das Emulgierergebnis hat. Die Versuchsergebnisse zeigen bei einer Prozesstemperatur von 75 °C eine monomodale Tropfengrößenverteilung mit einem Tropfendurchmesser von d90,3= 6,07 µm und d3,2= 2,28 µm. Die Untersuchung der Energieeinträge erfolgt in beiden Phasen getrennt voneinander. Es ist nicht möglich, eine klare Aussage über diese Einflüsse zu machen. Als Anwendungsbeispiel für die Lebensmittelindustrie wird die Evaluation unterschiedlicher lebensmitteltauglicher Emulgatoren gewählt. Als Emulgatoren dienen enzymatisch modifiziertes Sojalecithin, Milchphospholipide auf einem Träger, Polysorbat 80 und SDS. Die Untersuchung erfolgt bei drei unterschiedlichen Temperaturen und einem konstanten Energieeintrag. Es ergibt sich eine klare Abhängigkeit der Emulgatorwirkung von der Temperatur. Alle lebensmitteltauglichen Emulgatoren weisen im Temperaturbereich von 25 °C bis 65 °C eine bimodale Tropfengrößenverteilung auf. Der Vergleich der Versuchsergebnisse mit herkömmlichen Emulgierverfahren macht deutlich, dass ein großes Potential in der Anwendung eines Schlitzplatten-Mikromischers in der Lebensmittelindustrie liegt. Im Vergleich zur Literatur ergeben sich bei der Anwendung des MMRS bei gleichen Energieeinträgen ähnlich Tropfengrößen wie bei Membranemulgierverfahren.
In this experimental work, the quasi static and fatigue properties of a 40 wt.% long carbon fiber reinforced partially aromatic polyamide (Grivory GCL-4H) were investigated. For this purpose, microstructural parameter variations in the form of different thicknesses and different removal directions from injectionmolded plates were evaluated. Mechanical properties decreased by increasing misalignment away from the melt flow direction. By changing the specimen thickness, no change in the general fiber distribution pattern transversal and normal to the axis of melt flow was observed. It has shown that with increasing specimen thickness the quasi static properties along the melt flow direction decreased and vice versa resulting in superior properties normal to the melt flow axis. At around 5 mm, an intersection suggests quasi-isotropic behavior. In addition, the fatigue strength of the material was significantly higher in the flow direction than normal to the flow direction. No change in fatigue life was observed while changing specimen thickness. The Basquin equation seems to describe the effect of stress amplitude on the fatigue strength of this composite. Scanning electron microscopy was used to investigate fracture surfaces of tested specimens. Results show that mechanical properties and morphological structures depend highly on fiber orientation.
Es wurde ein numerisches Modell insbesondere für thermosiphonische Fassadensysteme entwickelt und mit experimentellen Daten validiert. Mittels Systemsimulation wurden die Sensitivitäten des solaren Deckungsgrades in Abhängigkeit von diversen Design- und Einflussparametern untersucht. Es zeigt sich, dass Fassaden- bzw. Balkonsysteme durch die optimale Wahl der Parameter einen attraktiven Beitrag zur Energieeinsparung in großen Wohnkomplexen darstellen.
The deployment of containers as building modules has grown in popularity over the past years due to their inherent strength, modular construction, and relatively low cost. The upcycled container architecture is being accepted since it is more eco-friendly than using the traditional building materials with intensive carbon footprint. Moreover, owing to the unquestionable urgency of climate change, existing climate-adaptive design strategies may no longer respond effectively as they are supposed to work in the previous passive design. Therefore, this paper explores the conceptual design for an upcycled shipping container building, which is designed as a carbon-smart modular living solution to a single family house under three design scenarios, related to cold, temperate, and hot–humid climatic zones, respectively. The extra feature of future climate adaption has been added by assessing the projected future climate data with the ASHRAE Standard 55 and Current Handbook of Fundamentals Comfort Model. Compared with the conventional design, Rome would gradually face more failures in conventional climate-adaptive design measures in the coming 60 years, as the growing trends in both cooling and dehumidification demand. Consequently, the appropriate utilization of internal heat gains are proposed to be the most promising measure, followed by the measure of windows sun shading and passive solar direct gain by using low mass, in the upcoming future in Rome. Future climate projection further shows different results in Berlin and Stockholm, where the special attention is around the occasional overheating risk towards the design goal of future thermal comfort.
Innovationen sind die stärksten Gestaltungsfaktoren für eine neue vielversprechende Zukunft, da sie die wichtigsten Treiber für Wachstum und Ertrag in unserer Wirtschaft sind. Die aktuelle Zeitenwende zeigt uns sehr deutlich, dass wir ohne Innovationen bzw. Veränderungen und Anpassungen kaum noch wettbewerbsfähig bleiben, sowohl als Nation bzw. als Gesellschaft und insbesondere als Unternehmen.
Die hohe Dynamik und Komplexität der wirtschaftlichen und sozialen Prozesse setzt neue Maßstäbe an die Innovationsstrategien von Institutionen und Unternehmen.
Neue Technologien, neue Märkte, neues Kundenverhalten und der stetige Wandel sowohl in der Arbeitswelt als auch in unserem gesellschaftlichen Umfeld, wie z.B. die Digitalisierung, zeigen uns, dass allein eine Produktinnovation als solche heute nicht mehr ausreicht. Unter den genannten Randbedingungen müssen Innovationen auch in der Gestaltung von Geschäftsprozessen und Realisierung der "Work-Life-Balance" neu erdacht bzw. überprüft werden.
Der Vorsprung innovativer Produkte im viralen Wettbewerb ist oft nur kurz. Ein ganzheitliches Innovationsmanagement hat alle Bereiche des Unternehmens einzubeziehen und führt zu neuen Geschäftsmodellen, die etablierte Geschäftspraktiken verdrängen, ebenso tauchen durch neue Technologien in immer stärkerem Maße neue Anbieter auf, die die Spielregeln in den Märkten verändern.
Der 1. Deutsche Innovations-Kongress will Impulse setzen, Best-Practice-Modelle als Vorbilder anbieten und im Austausch zwischen den Referent*innen und den Teilnehmer*innen neue Wege bzw. Perspektiven eröffnen.
Wir freuen uns auf alle Teilnehmer*innen und den Erfahrungsaustausch, um aktuelle und nachhaltige Innovations-Impulse zu setzen und neue Wege erfolgversprechende Wege zu beschreiben, womit die bereits fruchtbaren Kooperationen zwischen Wirtschaft und Wissenschaft im Großraum Osnabrück noch weiter belebt werden soll.
Aktuell tragen auch 8 Studierendengruppen des Masterstudiengangs "Entwicklung und Produktion" der Hochschule Osnabrück in der Fakultät I u. I im Rahmen des Moduls "Innovationsmanagement" in Kooperation mit Unternehmen aus der Region durch die Entwicklung neuer innovativer Produkte zum Erfolg des Kongresses bei. Die Zwischenergebnisse dazu werden in einer Poster-Ausstellung präsentiert. Die Innovationsprojekte werden unter der Leitung von Prof. Dr. Jens Schäfer durchgeführt.
Bamboo is an environmentally friendly alternative to conventional materials in mechanical engineering such as steel or aluminium. Bamboo is the fastest growing plant in the world. Instead of releasing CO2 during the manufacturing process, bamboo absorbs CO2 as it grows.
In addition to the sustainability aspect, bamboo tubes also offer excellent properties as a lightweight construction material, which have been optimised through evolution. Bamboo tubes have high strength and stiffness at low weight when used as tension-compression bars or bending beams. Bamboo has strong, high-density fibres at the boundary area, where bending stresses are greatest. Towards the inside, where the stresses are lower, the bamboo becomes porous to optimise weight. This, together with knots arranged in regular intervals, counteracts buckling.
In mobile applications such as cars and bicycles, lightweight construction is sought for energy efficiency reasons. Because of its excellent lightweight properties, the project investigated whether bamboo could be used in mobile, automotive or agricultural engineering. For example, a bamboo bicycle frame has been developed with the aim to be as light as possible. There are bamboo bicycles on the market, but they can only be made one at a time by hand. The bamboo tubes are joined together and functional elements such as the bottom bracket and headset are integrated by wrapping them in resin-impregnated natural or carbon fibres. This makes the joints very heavy. A different approach is taken here: the bamboo tubes are drilled out slightly to achieve a defined internal diameter, and then short aluminium tubes are glued into the bamboo canes from the inside. To prevent the cane from breaking in the circumferential direction, i.e. perpendicular to the fibre direction, the bamboo tubes are wrapped in a thin layer of natural or carbon fibre impregnated with synthetic resin. The aluminium tubes and functional elements are welded or soldered together beforehand.
The design of the bicycle frame, i.e. the dimensioning of the bamboo tubes and joints, was based on extensive bending and tensile tests to determine the strength properties of the natural material bamboo. The bonding between the bamboo cane and the aluminium tube was also investigated experimentally. Finally, several prototype bicycle frames were made and tested for durability according to DIN-EN-14764. The frames passed the tests.
The result is a bamboo bicycle that is manufactured with standardised connectors and joints. The assembly concept developed allows both fully automated and semi-automated series production of bamboo bicycles.
Leichtbauanwendungen auf Basis des Containerbaus bieten ökologische und ökonomische Potenziale für das Bauwesen und sind daher relevant innerhalb der Energiewende zur Erreichung eines nahezu klimaneutralen Gebäudebestandes. Daher werden hier verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen Klimazonen behandelt. Dazu werden zunächst die globalen Klimazonen analysiert und containerbasierte Leichtbaulösungen mit ihren Energiebedarfen und Nutzerprofilen vorgestellt. Durch bautechnische Optimierungen wird nahezu ein Passivhausstandard hergestellt. Auf Basis dieser Eingangsdaten werden verschiedene Energiekonzepte diskutiert, bei denen Solar- und Windenergie, aber auch Biomasse als regenerative Energieträger integriert werden. Die Konzepte werden allesamt mit der Software Polysun® simuliert und analysiert. Die verschiedenen Ansätze werden insbesondere in Bezug auf Energieautarkie, aber auch in Bezug auf Umsetzbarkeit verglichen und bewertet. Beispielsweise können mit einem Konzept bestehend aus einer Photovoltaik-Anlage, Wärmepumpe zur Wärme- und Kälteerzeugung sowie integriertem Batteriespeicher, Wärme- und Kältespeicher, sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Schließlich wird noch der Einfluss der verschiedenen Klimazonen auf die erforderliche energietechnische Gebäudeausstattung sowie Potenziale für andere Anwendungskonzepte beschrieben.
Currently, soil nutrient analysis involves two separate processes for soil sampling and nutrient analysis: 1. field soil sampling and 2. laboratory analysis. These two - separate - main work processes are combined and conceptualised for a mobile field laboratory so that soil sampling and analysis can be carried out simultaneously in the field. The module-based field laboratory "soil2data" can carry out these two main work processes in parallel and consists of 5 different task-specific modules that build on each other: app2field, field2soil, app2liquid, liquid2data and data2app. The individual modules were designed and built for the sub-process steps and adapted to the special features of the mobile field laboratory "soil2data". The biggest advantage is that the analysis results are available immediately, and a fertiliser recommendation can be generated instantly. For further analyses, the results are stored in the data cloud. The soil material remains in the field. In the ongoing project "Prototypes4soil2data", the mobile field laboratory soil2data is being further developed into a prototype with a modular structure.
The simulation of the residual stress field achieved by shot peening cannot be carried out on component-large models. Hence, an efficient unit cell model for the simulation of the shot peening process is developed. The model allows both, the simple inclusion of a pre-stress and the evaluation of the up-arching of the Almen strip. For this purpose, generalized coupling constraints for the periodic boundaries of the unit cell are developed. These allow for displacement and rotation of the coupled boundaries relative to each other. In the coupling constraints, this is accomplished by respective variables, which can either be prescribed to the analysis or read out as a result from the analysis. Hence, the unit cell can expand, shear, bend and twist under driving forces like, e. g., residual stresses or thermal effects. At the same time, deformations of the cell’s periodic boundary pairs are kept congruent by the generalized coupling. The ability to cover expansion is novel regarding known periodic boundary conditions. Also, the application of a generalized unit cell to shot peening is new.
Results obtained with the generalized unit cell are displayed, demonstrating its capabilities: A fundamental analysis of the residual stress field from shot peening shows inhomogeneities at a fatigue relevant level to be inevitable. A validation of the model was done by comparison with experimental Almen strip shot peening tests reported in literature. Shot peening under pre-stress is demonstrated and its results in terms of residual stress are evaluated. The application of the generalized unit cell is not limited to shot peening.
Semi-solid metal alloys, as used in thixoforming, have a special microstructure of globular grains suspended in a liquid metal matrix. The complex rheological properties are strongly influenced by the local solid fraction, particle shape, particle size and state of agglomeration. There is a high demand for models and software tools allowing the simulation of semi-solid casting processes. The material under investigation is a tin-lead alloy (Sn-15%Pb) which exhibits a similar microstructure to aluminium alloys. The experiments were performed with a concentric cylinder rheometer of the Searle type. Initially, the liquid alloy is cooled down to the semi-solid range under constant shearing and then kept under isothermal conditions for further experimentation. Based on the experimental data, a single-phase model has been derived where the semi-solid alloy is regarded as a homogeneous material with thixotropic properties and the microstructure is characterised by a structural parameter. The model consists of two parts: the equation of state, including a finite yield stress, and a rate equation for the structural parameter. The model equations are employed in numerical software and used for the simulation of characteristic filling cases and the comparison with the conventional filling.
Semi-solid metal alloys, as used in thixoforming, have a special microstructure of globular grains suspended in a liquid metal matrix. The material under investigation is a tin–lead alloy (Sn–15% Pb) which exhibits a similar microstructure as aluminum alloys. The experiments were performed with concentric cylinder rheometers. Initially, the liquid alloy is cooled down to the semi-solid range under constant shearing and then kept under isothermal conditions for further experimentation. The microstructure is characterized in dependence of the shearing time. The rheological techniques consisted of step change of shear rate and shear stress ramp experiments for different solid fractions (40–50%). Based on the experimental data a single phase model has been derived, where the semi-solid alloy is regarded as a homogeneous material with thixotropic properties and the microstructure is characterized by a structural parameter. The model consists of two parts: the equation of state, including a finite yield stress, and a rate equation for the structural parameter. The model equations are employed into numerical software and used for the simulation of a characteristic thixocasting process. The results are compared to real experiments.
A suspension of PMMA spheres in a density matched saccharose solution is investigated with a classical Searle rheometer and a NMR (Nuclear Magnetic Resonance) spectrometer. Here the NMR is used to measure the radial distribution of the PMMA spheres in the rotating cell, in addition to the local velocity profile of the suspension. The influence of particle concentration on the wall depletion is studied. Further analysis are carried out with computational fluid dynamics software. The velocity field as well as the solid distribution in the couette flow is simulated with a two-phase model including the Darcy law and compared to the experimental data.
Lab@Home ist eine Open-Source-Experimentierplattform für Laborpraktika in der Regelungstechnik, der Automationstechnik und der Informatik. Sie besteht aus einer elektronisch-mechanischen Bau-gruppe, einer webbasierten Experimentiersoftware sowie der Dokumentation verschiedener differen-zierbarer Lernmodule. Die Bauteile für eine Einheit kosten unter 30€ und können innerhalb von 30min zusammengebaut werden. Für die Durchführung der Experimente stehen eine webbasierte Be-nutzerschnittstelle (WebApp) und eine Schnittstelle zu WinFACT Boris zur Verfügung. Lab@Home wird seit mehreren Semestern in verschiedenen Lehrveranstaltungen erfolgreich eingesetzt.
Knowledge of the maximum friction coefficient µmax between tire and road is necessary for implementing autonomous driving. As this coefficient cannot be measured via existing serial vehicle sensors, µmax estimation is a challenging field in modern automotive research. In particular, model-based approaches are applied, which are limited in the estimation accuracy by the physical vehicle model. Therefore, this paper presents a data-based µmax estimation using serial vehicle sensors. For this purpose, recurrent artificial neural networks are trained, validated, and tested based on driving maneuvers carried out with a test vehicle showing improved results compared to the model-based algorithm from previous works.
Kugelstrahlen ist ein im Maschinenbau eingesetztes Verfahren zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit. Es wird z. B. bei hochbelasteten Komponenten in der Luft- und Raumfahrt, der Fahrzeugtechnik, im Turbomaschinenbau und weiteren Industriezweigen angewandt. Die Einstellung der Betriebsparameter der Kugelstrahlanalage findet üblicherweise mit kostenintensiven empirischen Versuchen statt, mit dem Ziel, die vorgegebene Druckeigenspannung zu erreichen. In [1, 2] wird auf der Basis einer dort beschriebenen neuartigen Elementarzelle vorgeschlagen, die Almenstreifenaufbiegung als Mittel zur Spezifikation der Verfestigung heranzuziehen. Dazu ist deren Simulation notwendig, welche sich mit der entwickelten Elementarzelle wirtschaftlich bewerkstelligen lässt. In der hier vorliegenden Veröffentlichung werden die der Elementarzelle zugrundeliegenden Finite-Elemente-Netze (FE-Netze) mithilfe von Einzelbe-schussversuchen validiert. Weiterhin wird eine ähnlichkeitsmechanische Betrachtung des Kugelstrahlprozesses zur vereinfachten Parametereinstellung vorgestellt.
Reibermüdung ist ein Phänomen, welches an den Kontakträndern von in Berührung ste-henden, kraftübertragenden Bauteilen beobachtet werden kann. Typische Maschinenele-mente, die in diesem Mode versagen können, sind z. B. die Schwalbenschwanzverbindung sowie ihre Ableger, die mehrzahnigen Tannenbaumfixierungen. In der Literatur beschrie-bene Untersuchungen weisen für Flachproben mit Reibbrücken ein Lebensdauerverhalten mit einem lokalen Minimum über der Anpresskraft der Reibbrücken aus. Die vorliegende Arbeit untersucht mithilfe des Sines-Ermüdungskriteriums, kombiniert mit Grenzwerten gemäß FKM-Richtlinie, ob ein solches Verhalten auch für die Schwalbenschwanzverbin-dung zutrifft. Im Gegensatz zur Reibbrückenanordnung mit separater Einleitung von kon-stanter Pressung und Längslastamplitude fluktuieren bei der Schwalbenschwanzverbin-dung die Anpresskraft und Zugkraft mit der einzigen am Hals eingeleiteten Last.