Entwicklung von Konzepten zur Integration von Wasserstoff-Speichersystemen in eine ausgewählte Fahrzeugbaureihe mit Verbrennungsmotoren. - Ilmenau. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Der Klimawandel und die kontinuierliche Verschärfung der Emissions- und Verbrauchsgrenzwerte stellen insbesondere die Kraftfahrzeugindustrie vor erhebliche Herausforderungen. Primär das chemische Element Wasserstoff rückt im Bereich der klimafreundlichen Energieversorgung sowohl für stationäre als auch für fahrzeugtechnische Anwendungen zunehmend in den Mittelpunkt. Auf Basis der chemischen Eigenschaften ist eine schadstoffarme Verbrennung des Brennmediums bei einem hinreichend mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch möglich. In der Thematik der Wasserstoffspeicherung entstehen infolge der Reaktivität und geringen Dichte Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Die vorliegende Arbeit knüpft an dieser Problematik an und untersucht die Möglichkeiten der Integration eines Wasserstoff-Speichersystems in eine bestehende Fahrzeugbaureihe mit einem konventionellen Verbrennungsmotor. Auf Grundlage einer methodischen Vorgehensweise sind primär die Anforderungen an das System in Bezug auf technische Umsetzbarkeit und Komplexität, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit erarbeitet. Auf der Basis einer zum Dieselkraftstoff energieäquivalenten Wasserstoffspeicherung ist im Weiteren das Speicherverfahren und die Art des Speichers durch eine Bewertungsmatrix evaluiert. In Bezug auf die räumlichen Gegebenheiten im Fahrzeug sind in der Variantenerstellung funktionsfähige Systemanordnungen erstellt. Die zielführende Variante, welche gleichzeitig die leistungsfähigste Option darstellt, kristallisiert sich aus einer weiteren Bewertung heraus. Im anschließenden Konstruktionsteil erfolgt die konkretisierte Modellierung der Speicherbehälter mitsamt einigen funktionswichtigen peripheren Komponenten. Ein für die Integration entstehender Änderungsumfang am Fahrzeug ist dokumentiert. Das finale Systemlayout ermöglicht die Speicherung von Wasserstoff als Druckgas in einem bestehenden Fahrzeug und realisiert eine zum Diesel vergleichbare Reichweite. Ferner kann die Vorgehensweise der Erarbeitung der Systemanordnung auf andere Fahrzeugbaureihen übertragen und als Leitfaden angesehen werden.
Entwicklung von Konzepten für den Stößelgewichtsausgleich an Exzenterpressen. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Konzepten zur Opti-mierung des Stößelgewichtsausgleichs an mechanisch angetriebenen, weggebundenen Exzenterpressen. Je nach Presse können die Massen von Stößel, Werkzeugoberteil und Pleuel über 50 Tonnen betragen. Der Stößelgewichtsausgleich kompensiert diese Massen so, dass sie für den Antriebsstrang nahezu gewichtslos erscheinen. Stand der Technik sind Pneumatikzylinder, die über Leitungen mit einem großen Puffervolumen verbunden sind. Bei einem Werkzeugwechsel muss der Druck aufgrund der Massenänderung neu eingestellt werden. Dazu müssen derzeit große Druckluftvolumina bewegt werden, was den Verlust wertvoller Zeit und einen hohen Energieaufwand bedeutet. Ausgehend von der Erfassung des Standes der Technik wird dieser kritisch hinterfragt und Probleme aufgezeigt. Eine Betrachtung der möglichen Stakeholder sowie verschiedene Erhebungstechniken nach IREB-Standard (International Requirements Engineering Board Standard) liefern die Anforderungen an das zu entwickelnde System. Aus der Analyse des bestehenden Systems wird in weiterer Folge ein Ablaufplan abgeleitet, der auf das zu entwickelnde System adaptiert wird. Die daraufhin gebildete Funktionsstruktur sowie die Untersuchung physikalischer Effekte zur Krafterzeugung bilden die Grundlage für die Erarbeitung der technischen Prinzipe. Betrachtet werden sowohl rein mechanische als auch elektromechanische Systeme. Darüber hinaus wird versucht, das bestehende pneumatische System hinsichtlich Zeit- und Energieverbrauch zu optimieren. Diese Prinzipe werden anhand verschiedener Kriterien bewertet und das Beste in Form eines konkretisierten technischen Prinzips weiterentwickelt, welches die Grundlage für weitere Arbeiten und Untersuchungen zur Optimierung des Stößelgewichtsausgleichs bildet.
Supporting circular economy strategies for design of sustainable mechatronic systems using MBSE. - In: Proceedings of the Design Society, ISSN 2732-527X, Bd. 4 (2024), S. 2645-2654
The paper investigates approaches for implementing circular economy strategies, such as designing mechatronic products for longer service life by replacing, upgrading, or remanufacturing subsystems. The research aims at applying MBSE to provide the necessary support for dealing with the complexity of these approaches. Requirements and challenges for the development of MBSE support in this context are examined. An example of an EV battery system model shows the benefits and challenges of comprehensive system modelling and traceability in the context of circular economy strategies.
https://doi.org/10.1017/pds.2024.267
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Kontaktwiderstand, Thermospannung und ungleichmäßige Wärmeverteilung sind die Hauptfehlerquellen bei der Messung von kleinen Platin-Dünnschicht-Widerstandsthermometern. Diese Masterarbeit widmet sich der Entwicklung eines Messsystems, das genaue und zuverlässige Widerstandsmessungen ermöglicht, indem eine präzise Kontaktierung der Temperatursensoren gewährleistet wird. Besonderes Augenmerk wird auf die Gestaltung einer Messzange gelegt, die für die Kontaktierung von kleinen Platinwiderständen geeignet ist. Die Arbeit präsentiert eine umfassende Analyse des Designs einer dauerfesten Messzange und diskutiert verschiedene Lösungsansätze inkl. deren Konstruktionsmerkmale und Materialien. Darüber hinaus werden Testverfahren und Bewertungskriterien diskutiert, um die Leistung und Zuverlässigkeit der Messzange zu beurteilen. Die Überarbeitung des bei der Messung verwendeten Lüfters wird ebenfalls behandelt, wobei ähnliche Entwicklungsmethoden wie bei der Messzange angewendet werden. Es wurde eine systematische Vorgehensweise gewählt, beginnend mit der Vervollständigung der Aufgabenstellung und der Definition der Anforderungen und Randbedingungen. Der Stand der Technik wurde durch Recherche wissenschaftlicher Artikel und relevanter Normen ermittelt. Einflussfaktoren auf die Messgenauigkeit wurden analysiert und Lösungsansätze mit Hilfe konzeptioneller Entwurfsmethoden erarbeitet. Dazu wurden Expertenmeinungen eingeholt und Entwürfe bewertet. Die Bewertungen erfolgten nach Messungen, wobei die gewählte Versuchsmethodik auf alle Konzeptkombinationen angewendet wurde. Die gewonnenen Daten und Erfahrungen wurden dokumentiert und Empfehlungen für zukünftige Verbesserungen formuliert.
Rüstzeitverkürzung und Flexibilitätserhöhung für den Fertigungsprozess. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Das BMW Group Werk Eisenach stellt den weltweit größten Werkzeugbaustandort des Unternehmens dar und ist zusätzlich Karosseriebaustandort für diverse Kleinst- und Kleinserien verschiedener Modelle der Marken BMW, Rolls-Royce, MINI und BMW-Motorrad. Die Bachelorarbeit entstand im Bereich der Teilefertigung, um im vorhandenen Presswerk Prozessverbesserungen zu erzielen. Der Pressenstraße ist ein verfahrbarer Platinenlader vorgeschaltet, welcher optional für die mechanisierte Teilefertigung genutzt werden kann. Der Schwerpunkt der Bachelorarbeit lag auf der reproduzierbaren Bauteileinlage im Ziehwerkzeug der ersten Presse. Der vorhandene Belader besitzt keine Orientierstation und ist damit technisch nicht selbstständig in der Lage, automatische Lagekorrekturen durchzuführen. Dementsprechend sind manuelle und zeitaufwändige Tätigkeiten vor Produktionsstart zu absolvieren. Im Sinne der Rüstzeitverkürzung und Flexibilitätserhöhung für den Fertigungsprozess ist es erforderlich, neue technische Umsetzungen zu analysieren und zu bewerten. Die Lösungsoptionen gliedern sich unter den direkten und indirekten Eingriff in die Produktionszeit auf. Im externen, indirekten Rüstvorgang ist das einzelne Umsetzen jeder Platine, in der vorhandenen Roboterzelle, auf das Universalgestell und anschließender interaktiver Inspektion zielführend. Im internen, direkten Rüstvorgang kann entweder ein Bildverarbeitungssystem inklusive variablem Platinengreifer integriert oder ein neuer Platinenlader mit eigener Zentrierstation angeschafft werden. Im weiteren Sinn müssen notwendige Arbeitsschritte eingekürzt, parallelisiert und umverteilt werden.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Die vorliegende Arbeit behandelt die systematische Lösungsfindung einer Anlagenerweiterung für eine Fertigungseinrichtung mit einer Inline- Plasmaaktivierung. Die Robert Bosch Fahrzeugelektrik Eisenach GmbH fertigt Niederdrucksensoren für Automobilanwendungen und stattet diese mit NTC-Elementen aus. Zur Oberflächenmodifizierung und Verbesserung der Haftungseigenschaften wird die Isolierung dieser Bauelemente mit einer Plasmaanlage aktiviert. Dieser Prozess findet außerhalb der Fertigungslinie statt und im Rahmen dieser Arbeit wird ein Konzept für eine Realisierung innerhalb der Linie ausgearbeitet. Die Grundlage für die Ausarbeitung ist eine detaillierte Aufnahme der Ist-Situation und daraus abgeleitete eine Sammlung von Anforderungen an eine Inlinevariante. Mit verschiedenen Anlagenherstellern für Plasmatechnik werden mögliche Realisierungsmöglichkeiten erarbeitet und bewertet. Für die Vorzugslösung wird ein Plan zur Integration in die Fertigung erarbeitet. Unterstützt wird das Konzept mit dem Nachweis der Funktionsfähigkeit der gewählten Anlage, einem Sicherheitskonzept für den speziellen Anwendungsfall und einer umfangreichen Abschätzung von benötigten Freigaben nach Maschinenrichtlinie und internen Abläufen. Die Bachelorarbeit kann als Leitfaden mit allen nötigen Entscheidungsschritte für eine Anlagenerweiterung angesehen werden und somit auch in einem anderen Anwendungsfall im Eisenacher Werk als Vorlage dienen.-
Systematik zur Ermittlung zweckdienlicher Simulationsmodelle als Basis für die Ausgestaltung von Digitalen Zwillingen . - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Digitale Zwillinge werden für immer weiter steigenden Anzahl an Anwendungsfällen und Produktphasen eingesetzt. Dafür werden die benötigten Daten- und Systemstrukturen der Digitalen Zwillinge immer komplexer. Für eine effiziente Implementierung Digitaler Zwillinge ist eine einheitliche Entwicklungs- und Designmethode zielführend. Die größten Vorteile daran sind, dass dadurch das Fehlerpotenzial verringert wird und dass die Entwicklungszeiten und somit auch die Entwicklungskosten reduziert werden können. Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, eine solche Methodik zu schaffen, die vor allem auf den Bereich der Simulationsmodelle und -tools von systembasierten Digitalen Zwillingen beschränkt wird, weil eine allgemeine Methode aufgrund der Vielfalt und Komplexität moderner Digitaler Zwillinge zu hoch gegriffen wäre. Die Systematik zur Entwicklung und zum Aufbau systembasierter Digitaler Zwillinge beginnt mit der Analyse des Realen Zwillings, geht anschließend systematisch auf die Auswahl der Anforderungen an die Architektur und Simulationsmodelle des Digitalen Zwillings ein. Anschließend wird diskutiert, wie aus diesen Anforderungen eine Auswahl der Architektur und Simulationsmodelle zustande kommen kann. Darauf aufbauend wird auf Methoden zum Aufbau einzelner Simulationsmodelle und deren Verbindungen eingegangen und abschließend das Vorgehen bei Veränderungen des Realen Zwillings und die Optimierung während der Nutzung näher beschrieben. Die Erläuterung der Systematik wird durch den beispielhaften Aufbau eines Digitalen Zwillings für ein Wellenmessgerät untermauert. Aus diesem Beispiel lässt sich ableiten, dass die Systematik für den Aufbau eines Digitalen Zwillings geeignet ist und bietet so eine zukünftige Grundlage für den Aufbau weiterer systembasierter Digitaler Zwillinge.
Ilmenau’s contributions to Design Science. - In: Design science, ISSN 2053-4701, Bd. 10 (2024), e2, S. 1-73
Ilmenau is a relatively small town in a beautiful landscape, close to the centre of Germany. Since 1894 it has been the home of a Technical College which after World War II and through some permutations became today’s Technische Universität Ilmenau. For 70 years the university has contributed to Design Science. It is interesting to note that the fundamentals were developed in practice, at the Carl Zeiss company in Jena; it was only later that the new ideas were further developed for academic research and teaching in Ilmenau. The origins at Zeiss Jena still account for the main application area at Technische Universität Ilmenau today: Precision Engineering which, in addition to mechanical, has always included electric, electronic, control, software, and even optical components (“mechatronics” before the term was coined). This article - written by three (out of four in total) of the professors who were and are, respectively, in charge over almost 50 out of the 70 years - tells the story of Design Science in Ilmenau: background, beginnings, development, contributions to research, teaching, and transfer to industry. As Ilmenau was situated in the German Democratic Republic (“East Germany”) between 1949 and 1990, the story is not free of political and societal implications, some of them quite surprising.
https://doi.org/10.1017/dsj.2023.33
Surrogate-based calculation method for robust design optimization considering the fatigue probability for variable service loads of eBike drive units. - In: Designs, ISSN 2411-9660, Bd. 8 (2024), 1, 4, S. 1-39
This paper proposes a robust design-optimization approach for eBike drive units that incorporates the highly variable driver-dependent load collectives and system conditions into a fatigue calculation. In an initial step, the relevant influences and loads on the investigated system are examined and reviewed in relation to the current normative requirements. From a methodical viewpoint, this paper presents a surrogate-based simulation-based approach to assess reliability across the entire geometry according to a probabilistic fatigue calculation. The probabilistic evaluation considers the several measured load collectives of different drivers and driving scenarios to enable a robust and type-oriented bike design. In addition to methods of fatigue calculation, this approach also includes common methods of order reduction and reliability-based design optimization. To avoid additional uncertainties in the calculation, this approach considers a complex critical-plane-based multiaxial-fatigue calculation to correctly evaluate the multiaxial and non-proportional stress state across the whole geometry. A data-based surrogate model that supports the fatigue calculation by predicting the load across the given uncertainties is the key to the efficient assessment of the service life of the eBike. Lastly, the identified uncertainties in the design of eBike drive units are investigated and evaluated by this method.
https://doi.org/10.3390/designs8010004
Collaborative Model-based Systems Engineering using Dataspaces and SysML v2. - In: Systems, ISSN 2079-8954, Bd. 12 (2024), 1, 18, S. 1-22
Collaborative Model-based Systems Engineering between companies is becoming increasingly important. The utilization of the modeling possibilities of the standard language SysML v2 and the multilateral data exchange via Dataspaces open new possibilities for efficient collaboration. Based on systemic approaches, a modeling concept for decomposing the system into sub-systems is developed as a basis for the exchange. In addition, based on the analysis of collaboration processes in the context of Systems Engineering, an architectural approach with a SysML editor and Dataspace for the exchange is elaborated. The architecture is implemented on the basis of open-source solutions. The investigations are based on an application example from precision engineering. The potential and challenges are discussed.
https://doi.org/10.3390/systems12010018