620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
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Despite the unstoppable global drive towards electric mobility, the electrification of sub-Saharan Africa’s ubiquitous informal multi-passenger minibus taxis raises substantial concerns. This is due to a constrained electricity system, both in terms of generation capacity and distribution networks. Without careful planning and mitigation, the additional load of charging hundreds of thousands of electric minibus taxis during peak demand times could prove catastrophic. This paper assesses the impact of charging 202 of these taxis in Johannesburg, South Africa. The potential of using external stationary battery storage and solar PV generation is assessed to reduce both peak grid demand and total energy drawn from the grid. With the addition of stationary battery storage of an equivalent of 60 kWh/taxi and a solar plant of an equivalent of 9.45 kWpk/taxi, the grid load impact is reduced by 66%, from 12 kW/taxi to 4 kW/taxi, and the daily grid energy by 58% from 87 kWh/taxi to 47 kWh/taxi. The country’s dependence on coal to generate electricity, including the solar PV supply, also reduces greenhouse gas emissions by 58%.
Im Team zum fliegenden Traum
(2024)
In recent years, the demand for accurate and efficient 3D body scanning technologies has increased, driven by the growing interest in personalised textile development and health care. This position paper presents the implementation of a novel 3D body scanner that integrates multiple RGB cameras and image stitching techniques to generate detailed point clouds and 3D mesh models. Our system significantly enhances the scanning process, achieving higher resolution and fidelity while reducing the cost, time and effort required for data acquisition and processing. Furthermore, we evaluate the potential use cases and applications of our 3D body scanner, focusing on the textile technology and health sectors. In textile development, the 3D scanner contributes to bespoke clothing production, allowing designers to construct made-to-measure garments, thus minimising waste and enhancing customer satisfaction through fitting clothing. In mental health care, the 3D body scanner can be employed as a tool for body image analysis, providing valuable insights into the psychological and emotional aspects of self-perception. By exploring the synergy between the 3D body scanner and these fields, we aim to foster interdisciplinary collaborations that drive advancements in personalisation, sustainability, and well-being.
Patterns are virtually simulated in 3D CAD programs before production to check the fit. However, achieving lifelike representations of human avatars, especially regarding soft tissue dynamics, remains challenging. This is mainly since conventional avatars in garment CAD programs are simulated with a continuous hard surface and not corresponding to the human physical and mechanical body properties of soft tissue. In the real world, the human body’s natural shape is affected by the contact pressure of tight-fitting textiles. To verify the fit of a simulated garment, the interactions between the individual body shape and the garment must be considered. This paper introduces an innovative approach to digitising the softness of human tissue using 4D scanning technology. The primary objective of this research is to explore the interactions between tissue softness and different compression levels of apparel, exerting pressure on the tissue to capture the changes in the natural shape. Therefore, to generate data and model an avatar with soft body physics, it is essential to capture the deform ability and elasticity of the soft tissue and map it into the modification options for a simulation. To aim this, various methods from different fields were researched and compared to evaluate 4D scanning as the most suitable method for capturing tissue deformability in vivo. In particular, it should be considered that the human body has different deformation capabilities depending on age, the amount of muscle and body fat. In addition, different tissue zones have different mechanical properties, so it is essential to identify and classify them to back up these properties for the simulation. It has been shown that by digitising the obtained data of the different defined applied pressure levels, a prediction of the deformation of the tissue of the exact person becomes possible. As technology advances and data sets grow, this approach has the potential to reshape how we verify fit digitally with soft avatars and leverage their realistic soft tissue properties for various practical purposes.
Analog integrated circuit sizing still relies heavily on human expert knowledge as previous automation approaches have not found wide-spread acceptance in industry. One strand, the optimization-based automation, is often discarded due to inflated constraining setups, infeasible results or excessive run times. To address these deficits, this work proposes a alternative optimization flow featuring a designer’s intuition for feasible design spaces through integration of expert knowledge based on the gm/ID-method. Moreover, the extensive run times of simulation-based optimization flows are overcome by incorporating computationally efficient machine learning methods. Neural network surrogate models predicting eleven performance parameters increase the evaluation speed by 3 400× on average compared to a simulator. Additionally, they enable the use of optimization algorithms dependent on automatic differentiation, that would otherwise be unavailable in this field. First, an up to 4× more efficient way for sampling training data based on the aforementioned space is detailed. After presenting the architecture and training effort regarding the surrogate models, they are employed as part of the objective function for sizing three operational amplifiers with three different optimization algorithms. Additionally, the benefits of using the gm/ID-method become evident when considering technology migration, as previously found solutions may be reused for other technologies.
This article presents a modified method of performing power flow calculations as an alternative to pure energy-based simulations of off-grid hybrid systems. The enhancement consists in transforming the scenario-based power flow method into a discrete time-dependent algorithm with the inclusion of bus and controller dynamics.
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.
We present the results of an extensive characterization of the performance and stability of a third-order continuous-time delta-sigma modulator with active coefficient error compensation. Using our previously published coefficient tuning technique, process variation induced R-C time-constant (TC) errors in the forward signal path can be compensated indirectly using continuously tunable DACs in the feedback path. To validate our technique experimentally with a range of real TC variations, we designed a modulator with discretely configurable integration capacitor arrays in a 0.35-μm CMOS process. We configured the capacitors of the fabricated device for a range of total TC variations from -28.4 % to +19.3 % and measured the signal-to-noise ratio (SNR) as a function of the input amplitude before and after compensating the variations electrically using the feedback DACs. The results show that our tuning technique is capable of restoring the desired nominal modulator performance over the entire parameter variation range, including the system’s nominal maximum stable amplitude (MSA).
Verteilnetzbetreiber müssen verschiedene Maßnahmen ergreifen, um den Herausforderungen der zunehmenden Installation dezentraler Erzeugungsanlagen zu begegnen. Die meisten dieser Maßnahmen führen zwar zur Einhaltung der Spannungsgrenzwerte, sie läsen jedoch nicht das Problem der Rückspeisung in die überlagerte Netzebene und die damit verbundenen Leistungsverluste. Im Projekt „Demo-rONT-Alternative“ wurde ein Prototyp für einen fernsteuerbaren Kabelverteiler entwickelt, um die Trennstellenverschiebung automatisiert durchführen zu können.
Der Erfolg der Energiewende in Deutschland setzt eine zunehmende Anzahl an dezentralen elektrischen Erzeugungsanlagen (EZA) voraus. Diese dezentralen EZA, wie Photovoltaikanlagen oder Blockheizkraftwerke, bringen für Verteilnetzbetreiber große Herausforderungen mit sich. Im Rahmen des geförderten Forschungsprojekts „Demonstrator Automatisierte Kabelverteil (KV) als Alternative zum regelbaren Ortsnetztransformator (DEMO rONT-Alternative)“ wurde ein neuer Ansatz für die Lösung der bestehenden Problematik erforscht. Dieser besteht in der aktiven Änderung der Topologie der Netzgebiete je nach elektrischer Last und PV-Einspeisung (Trennstellenverlagerung).
Der ›AM Field Guide‹ gibt einen ersten strukturierten Überblick in die komplexe und vielschichtige Welt der additiven Fertigungsverfahren. Getrennt nach den Materialien Polymere, Metalle und weitere Materialien werden die gängigsten jeweils auf dem Markt angebotenen AM-Verfahren schematisch dargestellt und der Verfahrenskern in Kurzform beschrieben. Neben den hier dargestellten Hauptverfahren gibt es viele Derivate und Sonderverfahren, die ebenfalls ein gesetzt werden jedoch nicht explizit gezeigt sind. Zu beachten ist, dass in dem jungen Bereich der additiven Fertigung viele Hersteller ihren AM-Anwendungen eigene Namen geben, so dass eine allgemeingültige umfassende Klassifizierung nur ansatzweise erreichbar ist.
Eine Organisation hin zur Klimaneutralität zu transformieren, ist nicht nur Neuland für praktisch jeden, der loslegt: Es geht los mit dem „Wollen“, also dem Ziel, dann wird der Weg skizziert, und schließlich muss es auch noch jemand umsetzen. Aus ihren Projekten der Begleitung von Organisationen auf dem Weg zur Klimaneutralität erscheint den Autoren folgende Erfahrung des Geschäftsführers Philipp Tiefenbach der Dorfbäckerei Tiefenbach, St. Johann-Würtingen, besonders treffend: „Machen ist wie Wollen, nur krasser.“ Für eine Kommune gerät dieser Prozess zu einem „wicked problem“. Sechs Lösungswege für Kommunen erscheinen attraktiv.
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.
Sägen ist ein häufig unterschätzter spanender Prozess. Oft kommt das Sägen nur zum Zuschnitt von Rohteilen zum Einsatz. Bei der Bearbeitung von Leichtbauwerkstoffen werden damit jedoch Schichten in Toleranz direkt auf die montagefertigen Konturen zugeschnitten. Zur Steigerung von Qualität und Zuverlässigkeit des Fertigungsprozesses werden maschineninterne und sensorische Daten überwacht, ausgewertet und in den Prozess zurückgekoppelt. Daher kommt es auf die gezielte Kontrolle der entscheidenden Parameter mit möglichst wenigen und robusten Schnittstellen an. Im Rahmen eines ZIM-Kooperationsprojektes (Hochschule Reutlingen, Hema Frickenhausen, Pragmatic Minds Kirchheim) wurde dies für einen Bandsägeprozess erforscht und umgesetzt.
Lehrbuch zur CAD-Software Creo Parametric und zur Produktdatenverwaltung mit Windchill.
3D-Volumenmodellierung, 3D-Flächenmodellierung, Blechmodellierung, Baugruppen- und Zeichnungserstellung, Definition von Normteilen, Erstellen von Animationen und dynamischen Analysen.
Verfahren zum Umgang mit großen Baugruppen und zur flexiblen Modellierung, Konstruk-tionsvarianten "Top-Down" und "Bottom-Up", Organisation von Konstruktionsprojekten über Skeletttechnik.
Neu: Konstruktion von und mit Mehrkörperobjekten, Rahmenkonstruktion in der Profilumgebung (AFX), intelligente Verbindungen (IFX), Live Simulation und Generatives Design.
This paper presents a modular and scalable power electronics concept for motor control with continuous output voltage. In contrast to multilevel concepts, modules with continuous output voltage are connected in series. The continuous output voltage of each module is obtained by using gallium nitride (GaN) high electron motility transistor (HEMT)s as switches inside the modules with a switching frequency in the range between 500 kHz and 1 MHz. Due to this high switching frequency a LC filter is integrated into the module resulting in a continuous output voltage. A main topic of the paper is the active damping of this LC output filter for each module and the analysis of the series connection of the damping behaviour. The results are illustrated with simulations and measurements.
This paper presents a machine learning powered, procedural sizing methodology based on pre-computed look-up tables containing operating point characteristics of primitive devices. Several Neural Networks are trained for 90nm and 45nm technologies, mapping different electrical parameters to the corresponding dimensions of a primitive device. This transforms the geometric sizing problem into the domain of circuit design experts, where the desired electrical characteristics are now inputs to the model. Analog building blocks or entire circuits are expressed as a sequence of model evaluations, capturing the sizing strategy and intention of the designer in a procedure, which is reusable across different technology nodes. The methodology is employed for the sizing of two operational amplifiers, and evaluated for two technology nodes, showing the versatility and efficiency of this approach.
This paper covers test and verification of a forecast-based Monte Carlo algorithm for an optimized, demand-oriented operation of combined heat and power (CHP) units using the hardware-in-the-loop approach. For this purpose, the optimization algorithm was implemented at a test bench at Reutlingen University for controlling a CHP unit in combination with a thermal energy storage, both in real hardware. In detail, the hardware-in-the-loop tests are intended to reveal the effects of demand forecasting accuracy, the impact of thermal energy storage capacity and the influence of load profiles on demand-oriented operation of CHP units. In addition, the paper focuses on the evaluation of the content of energy in the thermal energy storage under practical conditions. It is shown that a 5-layer model allows to determine the energy stored quite accurately, which is verified by experimental results. The hardware-in-the-loop tests disclose that demand forecasting accuracies, especially electricity demand forecasting, as well as load profiles strongly impact the potential for CHP electricity utilization on-site in demand-oriented mode. Moreover, it is shown that a larger effective capacity of the thermal energy storage positively affects demand-oriented operation. In the hardware-in-the-loop tests, the fraction of electricity generated by the CHP unit utilized on-site could thus be increased by a maximum of 27% compared to heat-led operation, which is still the most common modus operandi of small-scale CHP plants. Hence, the hardware-in-the-loop tests were adequate to prove the significant impact of the proposed algorithm for optimization of demand-oriented operation of CHP units.