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This paper introduces a highly scalable heteromodular origami art technique for constructing 3D framework structures using elementary struts and connectors folded from uncut sheets of standard A4 office paper. The presented technique, named ZEBRA, allows the design of meter-scale architectural objects, such as truss bridges and towers, which are capable of bearing substantial mechanical loads. Moving parts, ranging from simple levers to complete multi-bar linkages, can be integrated into static frameworks using a set of kinematic extensions. An overview is given of how the ZEBRA system can be used to teach university students various theoretical and practical aspects of the engineering sciences in an entertaining and hands-on way.
In diesem Beitrag wird ein kapazitiver Low Power DC-DC Wandler mit 15 konfigurierbaren Übersetzungsverhältnissen, einem hohen Eingangsspannungsbereich von 5 V bis 20 V und einer konstanten Ausgangsspannung von 5 V vorgestellt. Bei einer Ausgangsleistung von 5 mW wird ein maximaler Wirkungsgrad von 81% erreicht. Die Implementierung erfolgt in einem 350 nm Hochvolt-CMOS-Prozess. Während es für niedrige Eingangsspannungen eine Vielzahl an Topologien und Konzepten gibt, wurden vollintegrierte SC-Wandler für höhere Eingangsspannungen (> 8 V) bisher nur wenig untersucht. Höhere Spannungen erfordern den Einsatz von Hochvolttransistoren und eine aufwändigere Ansteuerung. Um über einen weiteren Eingangsspannungsbereicht mit hoher Genauigkeit und hohem Wirkungsgrad zu wandeln, erweist sich die Topologie des rekursiven Switched-Capacitor Wandlers (RSC Wandler) als vorteilhaft. In der vorliegenden 4-Bit Implementierung ist der RSC Wandler aus N = 4 2:1 Serien-Parallel Wandler-Zellen aufgebaut. Durch verschiedene Anordnung der einzelnen Zellen können 2ᴺ -1 = 15 Wandlungsverhältnisse realisiert werden. Mittels Rekursion werden in jedem Wandlungsverhältnis alle Kapazitäten genutzt, wodurch die Stromfähigkeit und der Wirkungsgrad des Wandlers deutlich verbessert werden. Einheitliche 2:1 Wandler-Zellen ermöglichen einen modularen Aufbau des Layouts.
Ein virtuelles Kraftwerk ist ein Verbund von Energieanlagen, koordiniert von einem gemeinsamen Leitsystem, um eine bessere Ausnutzung wetterabhängiger Energiequellen oder die gemeinsame Vermarktung von erzeugtem Strom zu ermöglichen. Der Demonstrator Virtuelles Kraftwerk Neckar-Alb ist eine Demonstrationsplattform für Forschung und Lehre, die Anlagen auf dem Campus der Hochschule Reutlingen und verteilte Anlagen in der Region Neckar-Alb integriert.
In order to evaluate the performance of different stapes prosthesis types, a coupled finite element (FE) model of human ear was developed. First, the middle-ear FE model was developed and validated using the middle-ear transfer function measurements available in literature including pathological cases. Then, the inner-ear FE model was developed and validated using tonotopy, impedance, and level of cochlea amplification curves from literature. Both models are based on pre-existing research with some improvements and were combined into one coupled FE model. The stapes in the coupled FE ear model was replaced with a model of a stapes prosthesis to create a reconstructed ear model that can be used to estimate how different types of protheses perform relative to each other as well as to the natural ear. This will help in designing of new innovative types of stapes prostheses or any other type of middle-ear prostheses as well as to improve the ones that are already available on the market.
The Virtual Power Plant Neckar-Alb is a demonstration platform for operation, optimization and control of distributed energy resources, which are able to produce, store or consume electric energy. A heterogeneous set of distributed energy devices has been installed at the Campus of Reutlingen University by the Reutlingen Energy Centre (REZ) of the School of Engineering. The distributed energy devices have been combined to local microgrids and connected to an operative central power plant with additional participants. The demonstration platform serves students, researchers and industry experts for education and investigation of new technologies, devices and software.
The purpose of this article is to provide insight of a new simple forecasting method based on a state-estimation algorithm known as the Kalman filter. While the accuracy of such algorithm is not comparable to state-of-the-art forecasting algorithms for PV-power production it does not require any internet connection, eyefish cameras or time intensive training. The algorithm was tested with several months of real high-resolution data with adequate results for the intended applications. The minimization of the necessary spinning reserve on a PV-diesel hybrid system to increase the solar fraction and reduce diesel consumption.
The paper illustrates the status quo of a research project for the development of a control system enabling CHP units for a demand-oriented electricity production by an intelligent management of the heat storage tank. Thereby the focus of the project is twofold. One is the compensation of the fluctuating power production by the renewable energies solar and wind. Secondly, a reduction of the load on the power grid is intended by better matching local electricity demand and production.
In detail, the general control strategy is outlined, the method utilized for forecasting heat and electricity demand is illustrated as well as a correlation method for the temperature distribution in the heat storage tank based on a Sigmoid function is proposed. Moreover, the simulation model for verification and optimization of the control system and the two field test sites for implementing and testing the system are introduced.
Die Alterungsbeständigkeit von geschirmten Kabeln und Kontaktpaaren gewinnt angesichts des zunehmenden Einsatzes elektronischer softwarebasierter Steuerungen in Transportmitteln an Relevanz. Elektro- und Hybridantriebe sowie die Implementierung von Fahrassistenzsystemen bis hin zu autonom fahrenden Fahrzeugen führen zu komplexen Kabelbäumen mit einer großen Zahl von geschirmten Kabeln und Steckverbindern.
Um die Stabilität von Kontaktsystemen hinsichtlich ihrer Stabilität zu prüfen, werden Hochspannungskabel unterschiedlicher Hersteller und Dimensionierung für den Einsatz in Hybridfahrzeugen untersucht. Diese wurden mit Modellsteckern versehen, die die Schimung kontaktierten und hinreichend gewährleisteten.
Impedanz und Schirmwirkungsdämpfung wurden an thermisch belasteten Kabeln und Kontaktpaaren vergleichend zu Neuteilen untersucht. Der Einfluss der in Anlehnung an die LV 214 induzierten thermischen Alterung auf das frequenzabhängige Übertragungsprofil sowie den Gesamtstreuverlust wurde messtechnisch ermittelt. Zusätzlich wurden die Alterungseffekte an den Leitungsmaterialien mittels moderner bildgebender Analytik dokumentiert.
- Verschiebung des KWK-Betriebs in die Phasen mit hohem Stromverbrauch
- Wärme- und Stromlastprognose
- Bestimmung des Wärmeinhaltes im Pufferspeicher
- Erstellung eines optimierten Fahrplans für das KWK-Gerät
- Ergebnisse von praktischen Anlagen im Feldtest
- Simulation der Temperaturen im Pufferspeicher im praktischen Betrieb von KWK-Anlagen
Lithographical hotspot (LH) detection using deep learning (DL) has received much attention in the recent years. It happens mainly due to the facts the DL approach leads to a better accuracy over the traditional, state-of-the-art programming approaches. The purpose of ths study is to compare existing data augmentation (DA) techniques for the integrated circuit (IC) mask data using DL methods. DA is a method which refers to the process of creating new samples similar to the training set, thereby helping to reduce the gap between classes as well as improving the performance of the DL system. Experimental results suggest that the DA methods increase overall DL models performance for the hotspot detection tasks.
Die additive Fertigung hat sich in den vergangenen Jahren wesentlich weiterentwickelt. Dabei wurde die Prozesstechnologie, Anlagen und die Werkstoffe optimiert. Für die industrielle Anwendung auch bei größeren Stückzahlen in der flexiblen Fertigung fehlen noch automatisierte Lösungen für die gesamte Prozesskette. In diesem Beitrag werden Werkzeuge und Technologie für die Reinigung interner Strukturelemente dargestellt.
Werkzeugmaschinen sind im Bereich des Maschinen- und Anlagenbau die größte Branche, mit denen auch in Unternehmen anderer Bereiche (z. B. Automobilbau, Aerospace) wesentliche Teile der Bruttowertschöpfung stattfinden. (Destatis, 2022) Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen beeinflusst in entscheidendem Maße die Produktivität der Produktionsanlage und die Qualität der darauf erzeugten Werkstücke. Sowohl fremderregte Schwingungen (z. B. Unwucht, Pulsation, periodisch schwankende Prozesskräfte) als auch selbsterregte Schwingungen (z. B. Rattern) führen zu schlechter Qualität der gefertigten Bauteile. Das dynamische Verhalten vonWerkzeugmaschinen wird durch die Masse, Dämpfung und Steifigkeit der einzelnen Komponenten (z. B. Maschinenbett, Ständer, Schlitten) als auch der im Kraftfluss liegenden Fügestellen (z. B. Führungen, Antriebe) beeinflusst. In diesem Beitrag werden die Auswirkungen von konstruktiven Modifikationen der Dämpfung in Gestellbauteilen bezüglich des dynamischen Verhaltens an der Zerspanstelle näher beleuchtet.
One of the challenges in condition monitoring systems is the residual life time prediction. This prediction is done based on statistical methods, based on physical knowledge about the considered process or a combination of these approaches. Physical knowledge of the system is a result of long-term experience of process operators. However, it can be gained as well by analyzing appropriately designed process models. The additional benefit of such models is that particular effects and their impact on the process behavior can be analyzed in detail and without plant operation in a shorter time. The current contribution developed in the framework of the research project Model Based Hierarchic Condition Monitoring presents such models for condition monitoring of roller chains. First, already existing high order dynamic models given by nonlinear differential equations of such chains are extended to incorporate effects that occur due to a deterioration of the chain condition. Then, a simple model is developed and compared to the high order model. Based on the two models the change in the process behavior due to a deterioration of the roller chain condition is analyzed to illustrate that these models can be used in future research in the above mentioned research project to better predict the residual life time of the considered roller chains.
Simulation models of the middle ear have rarely been used for diagnostic purposes due to their limited predictive ability with respect to pathologies. One big challenge is the large uncertainty and ambiguity in the choice of material parameters of the model.
Typically, the model parameters are determined by fitting simulation results to validation measurements. In a previous study, it was shown that fitting the model parameters of a finite-element model using the middle-ear transfer function and various other measurable output variables from normal ears alone is not sufficient to obtain a good predictive ability of the model on pathological middle-ear conditions. However, the inclusion of validation measurements on one pathological case resulted in a very good predictive ability also for other pathological cases. Although the found parameter set was plausible in all aspects, it was not yet possible to draw conclusions about the uniqueness and the accuracy or the uncertainty of the parameter set.
To answer these questions, statistical solution approaches are used in this study. Using the Monte Carlo method, a large number of plausible model data sets are generated that correctly represent the normal and pathological middle-ear characteristics in terms of various output variables like e.g., impedance, reflectance, umbo, and stapes transfer function. Subsequent principal component analyses (PCA) allow to draw conclusions about correlations, quantitative limits and statistical density of parameter values.
Furthermore, applying inverse PCA yields numerous plausible parameterizations of the middle-ear model, which can be used for data augmentation and training of a neural network which is capable of distinguishing between a normal middle ear and pathologies like otosclerosis, malleus fixation, and disarticulation based on objectively measured quantities like impedance, reflectance, and umbo velocity.
Understanding the factors that influence the accuracy of visual SLAM algorithms is very important for the future development of these algorithms. So far very few studies have done this. In this paper, a simulation model is presented and used to investigate the effect of the number of scene points tracked, the effect of the baseline length in triangulation and the influence of image point location uncertainty. It is shown that the latter is very critical, while the other all play important roles. Experiments with a well known semi-dense visual SLAM approach are also presented, when used in a monocular visual odometry mode. The experiments show that not including sensor bias and scale factor uncertainty is very detrimental to the accuracy of the simulation results.
The hearing contact lens® (HCL) is a new type of hearing aid devices. One of its main components is a piezo-electric actuator. In order to evaluate and maximize the HCL’s performance, a model of the HCL coupled to the middle ear was developed using finite element approach. The model was validated step by step starting with the HCL only. To validate the HCL model, vibrational measurements on the HCL were performed using a Laser-Doppler-Vibrometer (LDV). Then, a silicone cap was placed onto the HCL to provide an interface between the HCL and the tympanic membrane of the middle-ear model and additional LDV measurements on temporal bones were performed to validate the coupled model. The coupled model was used to evaluate the equivalent sound pressure of the HCL. Moreover, a deeper insight was gained into the contact between the HCL and tympanic membrane and its effects on the HCL performance. The model can be used to investigate the sensitivity of geometrical and material parameters with respect to performance measures of the HCL and evaluate the feedback behavior.
Industrial hybrid systems with high pv penetration : performance, analysis and key success factors
(2016)
Since the first industrial-scale hybrid system was installed by SMA in 2012, information about the performance of several hybrid systems around the world has been monitored. This paper analyses the performance of SMA’s largest PV-Diesel hybrid system in the industrial-scale installed in Bolivia in 2014 and summarizes the lessons learned by managing this system with large-scale energy storage. The paper finally concludes with an outlook for future hybrid systems.
Nowadays, software development plays an important role in the entire value chain in production machine and plant engineering. An important component for rapid development of high quality software is the virtual commissioning. The real machine is described on the basis of simulation models. Therefore, the control software can be verified at an early stage using the simulation models. Since production machines are produced highly individual or in very small series, the challenge of virtual commissioning is to reduce the effort in the development of simulation models. Therefore, a systemic reuse of the simulation models and the control software for different variants of a machine is essential for an economic use. This necessarily requires a consideration of the variability which may occur between the production machines. This contribution analyzes the question of how to systematically deal with the software-related variability in the context of virtual commissioning. For this purpose, first the characteristics of the virtual commissioning and variability handling are considered. Subsequently, the requirements to a so-called variant infrastructure for virtual commissioning are analyzed and possible solutions are discussed.
Urgent action is needed to keep the chance of limiting global warming to 1.5°C or even 2.0°C. Current outlooks by IPCC, and many other organisations forecast that this will be impossible at current pace of emission 'reductions' – Germany has already hit 1.5° warming this year. Across 2019, particularly during the UN New York Climate summit, numerous organisations declared their ambition to become net carbon neutral. Amongst these were investors and companies, including quite a number of German ones.
We apply a mixed methods approach, utilising data gathered from approx. 900 companies after Climate Week in context of the Energy Efficiency Index of German Industry (EEI), along with media research focusing on decarbonisation plans announced and initiatives pledging climate action.
With this, we analyse how German companies in the manufacturing sectors react to rising societal pressure and emerging policies, particularly what measures they have taken or plan to implement to reduce the footprint of their company, their products and their supply chain. In this, we particularly analyse whether and in what way energy- and resource consumption, as well as carbon emissions are considered in the development and lifecycle of goods manufactured. This is of huge relevance as these goods determine the future footprint of buildings, vehicles and industry.
Regarding the supply chain, current articles indicate that small and medium-sized enterprises (SME) are particularly challenged by increasing demands from their large corporate clients and an alleged lack of preparedness to be able to take and afford prompt decarbonisation action themselves (Buchenau et. al. 2019). Notably the automotive industry recently announced new models that will be 100% carbon neutral all the way through (ibid). We thus analyse if and how factors such as company size, energy intensity and sector affiliation influence a company’s plan to fully decarbonize. Ownership structure and corporate culture, it appears, significantly impact on the degree of decarbonisation action underway.
Es wird ein hochintegrierter Gatetreiber für 600V-Anwendungen mit einer galvanischen Isolation zwischen der Ansteuerelektronik und der Treiberseite vorgestellt. Eine Besonderheit ist die bidirektionale Signalübertragung und die Energieversorgung über einen einzigen Transformator. Die Treiberansteuersignale werden mittels 10/20 MHz Frequenzmodulation übertragen. Die Signalrückübertragung ist in Form einer 1Mbit/s Amplitudenmodulation realisiert. Die Energieübertragung über den Transformator erlaubt ein dauerhaftes Einschalten des Treibers. Der Energiebedarf während des Schaltvorgangs wird hauptsächlich durch eine Bootstrapschaltung bereitgestellt. Eine weitere Besonderheit ist die Verwendung einer flächeneffizienten Integration einer NMOS Treiberausgangsstufe. Der Gatetreiber wurde in einer 180nm Hochvolt-BiCMOS-Technologie hergestellt. Messungen bestätigen die Funktion des Treibers.
The limited interfaces of today's IC design environments for editing PCell parameters hinder a solid advancement towards more complex analog PCell modules. This paper presents Hierarchical Instance Parameter Editing (HIPE), a highly flexible concept for the customization of PCell sub-instances. Introducing a new type of parameter, HIPE facilitates the dynamic creation of multi-level editing forms reflecting the actual contents of a PCell instance. This approach greatly improves a PCell's ease-of-use, substantially simplifies PCell development, and allows for a hierarchical execution of parameter validation callbacks. Our HIPE implementation has been integrated into a professional PCell development tool and represents a key enabling technology for upcoming generations of high-level hierarchical PCells.
Despite strong political efforts across Europe, small and medium- sized enterprises (SMEs) seem to neglect adopting effective measures for energy efficiency. Adopting a cultural perspective and based on a study among industrial SMEs in Southern Germany, we investigate what drives decisions for energy efficiency in SMEs and how energy management contributes to closing the energy efficiency gap. The study follows a mixed-methods approach and combines eleven ethnographic case studies and a quantitative survey among 500 manufacturing SMEs in Southern Germany.
The main contribution of the paper is to offer a perspective on energy efficiency in SMEs beyond the diffusion of energyefficient technology. By contrast, our results strongly suggest that the diffusion of energy efficiency in industrial companies should not be solely reduced to decisions for technical measures. We shed light on how energy efficiency is established and the importance of energy management in SMEs.
Our study shows that energy efficiency is well established in the investigated SMEs. At the same time, establishment cannot be explained by company size or energy demand. By contrast, the contextual environment of the company and the individual leadership of the company appear to have a more substantial influence. The embedding of energy efficiency in corporate strategy, a broad spectrum of different practices, the involvement of the employees, actions for raising awareness in everyday work life, and distributing attention by organizational measures constitute the driving forces in establishing energy efficiency, and these drivers can be subsumed under the label of energy management.
Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen beeinflusst in erheblichem Maße die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit spanender Werkzeugmaschinen. Das Verständnis der das Rattern beeinflussenden Faktoren ist von entscheidender Bedeutung für die konstruktive Auslegung der Maschinen, Werkzeuge, Vorrichtungen und Prozesse. Das dynamische Verhalten kann durch eine gezielte Modifikation von Steifigkeit und Dämpfung erheblich verbessert werden. Es werden unterschiedliche Möglichkeiten im Bereich der Gestelle, Komponenten und Werkzeuge aufgezeigt, mit denen die dynamischen Eigenschaften optimiert werden.
A digital twin - a replica of energy devices - was established in the computing environment of MATLAB and Simulink. It simulates continuously their operation and is time synchronized and connected to the cenral energy management and control system of a virtual power plant. The model can be used as a platform for testing device performance in various conditions, working schedules and new optimization options.
Dezentrale Stromerzeugungsanlagen, Energiespeicher und Steuerungseinrichtungen für Erzeuger und Verbraucher sind die Grundbausteine eines virtuellen Kraftwerks, welches im Stromnetz der Zukunft, dem Smart Grid, eine wichtige Rolle spielt. Im Rahmen des Demonstrationsprojekts Virtuelles Kraftwerk Neckar-Alb soll an der Hochschule Reutlingen eine Demonstrationsanlage aufgebaut werden, die diese Grundbausteine vernetzt und funktional integriert. Damit entsteht eine flexible Testumgebung für Forschung und Lehre, in der sich das Zusammenspiel der Komponenten untersuchen lässt. Zudem wird eine Besichtigungsmöglichkeit für interessierte Unternehmen geschaffen. Damit sollen Akzeptanz und Verständnis für die Thematik gefördert werden.
Ein wesentliches Ziel der unter dem Schlagwort Industrie 4.0 gebündelten neuen Entwicklungen ist die Vernetzung intelligenter Komponenten in industriellen Anlagen, um Prozesse transparenter und effizienter zu gestalten. Ein weiteres Ziel ist das Condition Monitoring, d.h. die Überwachung des Zustands der Komponenten während der Laufzeit und die Abschätzung der Restlebensdauer, damit die gesamte Lebensdauer der Komponente ausgenutzt und Wartungsintervalle besser geplant werden können. Die Bewertung des Komponentenzustands erfolgt anhand von Messgrößen, die entweder durch zusätzlich in den Prozess eingebrachte Sensoren erfasst werden oder durch Prozessdaten, die in den Regel- und Steuereinrichtungen verfügbar sind. Diese Messdaten werden ausgewertet und das Ergebnis wird dem Anwender angezeigt.
Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Überblick über verwendete Messgrößen sowie verwendete Auswerteverfahren. Darüber hinaus wird ein Verfahren erläutert, das die Schwierigkeiten bei der Beurteilung der üblicherweise verwendeten Frequenzspektren vermeidet.
Der vorliegende Beitrag zeigte die Anwendung eines Extended Kalman Filters für die Beurteilung des Verschleißzustandes von Rollenketten. Anders als in den üblicherweise eingesetzten signalbasierten Verfahren wurde damit ein modellbasierter Ansatz gewählt. Der Einsatz des Extended Kalman Filters ermöglicht die Schätzung von Parametern eines reduzierten Kettenmodells, das die Dynamik der einzigen Messgröße, nämlich des Drehmoments des antreibenden Motors näherungsweise nachbildet. Im Beitrag wurde dieses Verfahren auf Messdaten aus vier Dauerversuchen an Rollenketten eingesetzt und gezeigt, dass mit steigendem Verschleiß eine Änderung ausgewählter Modellparameter erfolgt.
Diese Vorgehensweise ist ein erster Ansatz, der durch weitere Forschungsarbeiten noch verbessert werden muss. In zukünftigen Forschungsarbeiten wird zusätzlich zur Parameterschätzung eine Prädiktion durchgeführt, um einen Schätzwert für die Restlebensdauer zu erhalten. Hierzu gibt es Ansätze in der Literatur, die auf das konkrete Problem angepasst werden müssen. Zudem muss die Modellierungssystematik so erweitert werden, dass Wissen über das Prozessverhalten in die Modellierung mit eingebracht wird, um die Aussagekraft der Ergebnisse sowie die Robustheit des Verfahrens bezüglich Betriebsparametern, Umgebungsbedingungen und Exemplarstreuungen zu verbessern.
Ein wirtschaftlicher Betrieb von KWK-Anlagen ist erreichbar, wenn Geräte mit gutem elektrischen Wirkungsgrad und geringen Anschaffungs- und Wartungskosten eingesetzt werden und der im BHKW erzeugte Strom zum größtmöglichen Anteil im Objekt verbraucht wird. Der Pufferspeicher einer KWK-Anlage sollte ausreichend groß bemessen sein (Flexibilität, Eigenstromoptimierung...). Ein größeres BHKW ist nicht automatisch unwirtschaftlicher aufgrund der geringeren Betriebszeit. Es bietet dagegen ein höheres Potenzial für eine bedarfsgerechte Stromeinspeisung in das Netz.
IGBT modules with anti-parallel FWDs are widely used in inductive load switching power applications, such as motor drive applications. Nowadays there is a continuous effort to increase the efficiency of such systems by decreasing their switching losses. This paper addresses the problems arising in the turn-on process of an IGBT working in hard-switching conditions. A method is proposed which achieves – contrary to most other approaches – a high switching speed and, at the same time, a low peak reverse-recovery current. This is done by applying an improved gate current waveform that is briefly lowered during the turn-on process. The proposed method achieves low switching losses. Its effectiveness is demonstrated by experimental results with IGBT modules for 600V and 1200V.
The demonstration project Virtual Power Plant Neckar-Alb is constructing a Virtual Power Plant (VPP) demonstration site at the Reutlingen University campus. The VPP demonstrator integrates a heterogeneous set of distributed energy resources (DERs) which are connected to control the infrastructure and an energy management system. This paper describes the components and the architecture of the demonstrator and presents strategies for demonstration of multiple optimization and control systems with different control paradigms.