Technische Universität Dresden: Qucosa
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Ein Beitrag zur Detektion von schädigungsbasiertem und linear-elastischem Materialverhalten zum Monitoring tragender Holzbauteile basierend auf hochauflösender optischer Dehnungsmessung
No full textIn der vorliegenden Arbeit wurden Grundlagen zu einem Materialmodell für Holz als Basis für ein Schädigungsmonitoring entwickelt. Dabei wurde ausschließlich auf ein Schädigungsszenario eingegangen, bei welchem das Versagen aus einer kurzfristig einwirkenden übermäßigen Last resultiert. Als nicht schädigungsbasierte Dehnungsarten wurde auf die linear-elastische Dehnung sowie auf störungsbedingte Dehnungsanteile (Messfehler) eingegangen. Das entwickelte Modell sollte dabei die Möglichkeit eröffnen, aus gemessenen Dehnungsverteilungen an einem Bauteil auf die Anwesenheit von schädigungsbasierter Dehnung in der Gesamtdehnung zurückschließen zu können.
Als Messgröße für die Bewertung wurde ausschließlich auf Dehnungen in Richtung der Hauptachse des Bauteils eingegangen. Weitere Größen (Holzfeuchte, -temperatur, einwirkende Lasten bzw. Spannungen etc.) wurden nicht in das Modell integriert. Die Grundlagen, insbesondere hinsichtlich der linear-elastischen Dehnung, wurden der Literatur entnommen. Daraus nicht beantwortbare Fragestellungen wurden durch eigene Betrachtungen basierend auf zyklischen Zug- und Biegeversuchen bei geringen Lasten sowie auf zerstörenden Biegeversuchen an Fichtenholzproben bearbeitet. Die Dehnungsaufnahme erfolgte kamerabasiert (digitale Bildkorrelation).
Als Indiz für eine Schädigungsfreiheit wurde ein lineares Dehnungsverhalten genutzt. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere Dehnratenverhältnisse – das Verhältnis der gemessenen Dehnrate an einem betrachteten, vergleichsweise kleinen Abschnitt bezogen auf die mittlere Dehnrate über größere Bereiche des betrachteten Bauteils – geeignet sind, die Schädigungsfreiheit der betrachteten Bauteile zu beurteilen. Im schädigungsfreien Zustand ergab das Dehnratenverhältnis jedes Abschnitts eine Konstante, wobei die Messwerte auf Grund der Messfehler (störungsbasierte Dehnung) um diese streuten. Durch die Anwendung statistischer Tests war es möglich, zu beurteilen, ob diese Abweichungen auf Messfehler oder Schädigung zurückzuführen sind.
Durch die verwendete Methodik war es möglich, nicht-lineares Materialverhalten weit vor einem Bruch zu detektieren. Bei den untersuchten Biegeproben wurde ein solches Verhalten bereits bei einer Krafteinwirkung von 25 – 83 % der späteren Bruchkraft erkannt. Diese Detektion war grundsätzlich im Zug- und im Druckbereich der Proben und in einem sehr breiten betrachteten Holzfeuchtebereich möglich.:1 Einführung
1.1 Holz als Baustoff
1.2 Holz als hygroskopischer, orthotroper Werkstoff mit stochastisch verteilten Eigenschaften
1.3 Schadensformen im Holzbau
2 Monitoring mechanischer Eigenschaften im Holzbau
2.1 Beispiele wissenschaftlicher Arbeiten zum dehnungs- und deformationsbasierten Monitoring an Holztragwerken
2.2 Materialmodell
3 Zielstellung und Stand der Wissenschaft
3.1 Zielstellung
3.2 Linear-elastische Dehnung – Stand der Wissenschaft
3.3 Forschungsfragen
4 Lastmodell
4.1 Berechnung der relativen Spannungsverteilung
4.2 Berechnung der relativen Materialeigenschaften
4.3 Reduzierung auf parametrisierbare und überwachbare Dehnungsverhältnisse
4.4 Modellfälle
5 Material
5.1 Eigenschaften der Proben
5.2 Klimatisierung
5.3 Proben für die Zugversuche
5.4 Proben für die Biegeversuche
6 Dehnungsmesssysteme
6.1 Resistive Dehnungsmessung
6.2 Faseroptische Dehnungsmessung
6.3 Bildkorrelation
6.4 Verwendetes Dehnungsmesssystem
7 Versuchsmethodik
7.1 Versuchsablauf Zugversuch
7.2 Versuchsablauf Biegeversuch
8 Ergebnisse
8.1 Zugversuche
8.2 Biegeversuche
9 Diskussion
9.1 Bewertung der betrachteten Proben und Rahmenbedingungen
9.2 Diskussion der Forschungsfragen
10 Validierung an zerstörenden Versuchen
10.1 Zielstellung
10.2 Material
10.3 Versuchsablauf
10.4 Ergebnisse
10.5 Diskussion
11 Zusammenfassung und Ausblick
11.1 Zusammenfassung
11.2 Ausblick
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
AnhangIn this thesis, basics for a material model of wood for use in damage monitoring were developed. The model was developed under consideration of only one damage scenario, wherein the failure results from a short-term excessive load. As non-damage-based types of strain, linear-elastic strain and fault-related strain components (measurement errors) were considered. The developed model should make it possible to draw conclusions about the presence of damage-based strain in the measured overall strain distributions of a construction component.
As measured variables for the monitoring, only strains in the direction of the main axis of the component were used. Other variables (wood moisture and temperature, loads or stresses, etc.) were not integrated into the model. The basics, especially in linear-elastic strain, were taken from the literature. Questions that could not be answered from literature were answered by own observations based on cyclic tensile and bending tests at low loads as well as on destructive bending tests on spruce wood samples. The strain recording was camera-based (digital image correlation).
Linear strain characteristics were used as an indication for a damage free behaviour. This showed that strain rate ratios in particular – the ratio of the measured strain rate on a considered small section in relation to the average strain rate over larger areas of the construction component – are suitable for assessing the freedom from damage of the components. In the damage-free state, the strain rate ratio of each section resulted in a constant, whereby the measured values scattered around this constant due to the measurement errors (fault-based strain). By applying statistical tests, it is possible to assess whether these deviations are due to measurement errors or damage.
The methodology used made it possible to detect non-linear material behaviour long before fracture. In the tested bending samples, such behaviour was already detected at a force of 25 - 83 % of the subsequent breaking force. This detection was basically possible in the tensile and compression range of the samples and in a very wide range of wood moisture content.:1 Einführung
1.1 Holz als Baustoff
1.2 Holz als hygroskopischer, orthotroper Werkstoff mit stochastisch verteilten Eigenschaften
1.3 Schadensformen im Holzbau
2 Monitoring mechanischer Eigenschaften im Holzbau
2.1 Beispiele wissenschaftlicher Arbeiten zum dehnungs- und deformationsbasierten Monitoring an Holztragwerken
2.2 Materialmodell
3 Zielstellung und Stand der Wissenschaft
3.1 Zielstellung
3.2 Linear-elastische Dehnung – Stand der Wissenschaft
3.3 Forschungsfragen
4 Lastmodell
4.1 Berechnung der relativen Spannungsverteilung
4.2 Berechnung der relativen Materialeigenschaften
4.3 Reduzierung auf parametrisierbare und überwachbare Dehnungsverhältnisse
4.4 Modellfälle
5 Material
5.1 Eigenschaften der Proben
5.2 Klimatisierung
5.3 Proben für die Zugversuche
5.4 Proben für die Biegeversuche
6 Dehnungsmesssysteme
6.1 Resistive Dehnungsmessung
6.2 Faseroptische Dehnungsmessung
6.3 Bildkorrelation
6.4 Verwendetes Dehnungsmesssystem
7 Versuchsmethodik
7.1 Versuchsablauf Zugversuch
7.2 Versuchsablauf Biegeversuch
8 Ergebnisse
8.1 Zugversuche
8.2 Biegeversuche
9 Diskussion
9.1 Bewertung der betrachteten Proben und Rahmenbedingungen
9.2 Diskussion der Forschungsfragen
10 Validierung an zerstörenden Versuchen
10.1 Zielstellung
10.2 Material
10.3 Versuchsablauf
10.4 Ergebnisse
10.5 Diskussion
11 Zusammenfassung und Ausblick
11.1 Zusammenfassung
11.2 Ausblick
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Anhan
Structural behavior of single-sided welded HSS-T-joints with softening in the heat-affected zone
No full textIn the case of high-strength steels, softening in the heat-affected zone (HAZ) is possible due to the heat input during the welding process. Therefore, in addition to weld failure, other forms of failure of the welded joint cannot be excluded. Within the framework of the AiF-FOSTA research project P1453, experimental investigations are carried out on single-sided welded T-joints. The aim of the investigations is to analyze the failure modes resulting from softening in the HAZ. Specimens with different weld types, steel grades, plate thicknesses and cooling times t8/5 are investigated. The softening of the HAZ is experimentally evaluated for thermome-chanical rolled and quenched and tempered high-strength steels with yield strengths from 500 to 960 MPa by thermo-physical forming simulations. The results will be used to improve the design rules for welded joints. In particular, this includes a consideration of the heat-affected zone in the design of welded joints made of high-strength steels. The paper presents the results of thermo-physical forming simulations. By measuring macrosections of butt joints, a description of the expansion of the heat-affected zone as a function of peak temperature and cooling time is presented. Furthermore, results of structural mechanics studies for the load bearing capacity analysis of single-sided welded T-joints are presented. This is followed by a detailed description of the experimental test program
Heterogenität in der Ausbildungsreife nicht-studienberechtigter Schulabgänger:innen – eine latente Profilanalyse auf Basis des Nationalen Bildungspanels
No full textMangelnde Ausbildungsreife wird häufig als Ursache erfolgloser Ausbildungssuche benannt – insbesondere bei Schulabgänger:innen mit max. Hauptschulabschluss (max. HSA). Damit sind beispielsweise Defizite in Lese- und Mathematikkompetenzen oder dem Arbeits- und Sozialverhalten gemeint. Ausprägungskonstellationen dieser Dimensionen von Ausbildungsreife wurden bisher nicht untersucht. In einer latenten Profilanalyse auf Basis der NEPS Startkohorte Klasse 9 explorierten wir Ausprägungsprofile schulischer Kompetenzen und psychologischer Leistungsmerkmale sowie verhaltens- und persönlichkeitsbezogener Merkmale (VP) bei nicht-studienberechtigten Schulabgänger:innen. Wir fanden fünf Profile, die unterschiedliche Konstellationen von Vor- und Nachteilen in diesen Merkmalen beschreiben: (1) Leistungsstärkere mit relativ hoch ausgeprägten VP, (2) Leistungsstärkere mit relativ gering ausgeprägten VP, (3) Durchschnittlich Leistungsstarke mit relativ hoch ausgeprägten VP, (4) Leistungsschwächere mit relativ hoch ausgeprägten VP und (5) Leistungsschwächere mit relativ gering ausgeprägten VP. In allen Profilen waren Schulabgänger:innen mit max. HSA und Mittlerem Schulabschluss (MSA) vertreten. Die Anteile von Schulabgänger:innen mit max. HSA fielen unter den Leistungsschwächeren jedoch deutlich höher aus. In Regressionsanalysen prüften wir die prognostische Validität der Profile hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit, nach Schulabgang in eine Berufsausbildung überzugehen. Wir fanden niedrigere Ausbildungswahrscheinlichkeiten bei leistungsstärkeren Schulabgänger:innen, die auf ihre Selbstselektion an berufsbildende Schulen zum Erwerb der Hochschulzugangsberechtigung hindeuteten. Außerdem fanden wir, dass Schulabgänger:innen mit MSA bei gleichem Ausprägungsprofil persistent höhere Ausbildungswahrscheinlichkeiten zeigten als jene mit max. HSA. Angesichts der Heterogenität der Bildungsgruppen gibt dies Anlass zur Kritik an institutionellen und betrieblichen Selektionslogiken.A lack of training maturity is often claimed to be the cause of school leavers’ problems in the transition from school to vocational education and training (VET)—especially for those with lower school certificates. This refers to deficits in e.g. reading and mathematics skills or social competences. Constellations of these dimensions have not yet been investigated. In a Latent Profile Analysis based on NEPS Starting Cohort Grade 9, we explored profiles of academic competences and psychological performance characteristics as well as behavioural and personality-related characteristics among school leavers (no certificate, lower secondary certificate, secondary certificate). We identified five profiles describing subgroups with different constellations of advantages and disadvantages in these characteristics: (1) high achievers with relatively high behavioural and personality-related characteristics (VP), (2) high achievers with relatively low VP, (3) average achievers with relatively high VP, (4) low achievers with relatively high VP and (5) low achievers with relatively low VP. The proportion of school leavers without or with lower secondary certificate was significantly higher among low achievers. In regression analyses, we investigated the profiles’ prognostic validity with regard to the likelihood of entering VET after leaving school. We found lower probabilities among the higher achieving youth, which indicated self-selection into upper secondary programmes at vocational schools. Furthermore, we found that school leavers with secondary certificate persistently showed higher probabilities of entering VET than those with lower certificates. Given the heterogeneity of both groups, this gives rise to criticism of institutional and firm-based selection rationales
Resource-Efficient Activation of Rare-Earth Oxides and Ionothermal Synthesis in Imidazolium-Based Ionic Liquids
No full textRare-earth elements (REEs) are critical components in various functional materials. Various conventional methods can be used to activate the inert rare-earth starting materials, such as metal oxides RE2O3, including high-temperature, electrochemical, and chemical reduction. However, each method has trade-offs. Therefore, a holistic approach is required to improve energy and resource efficiency to meet the sustainability goal. Indeed, using ILs is a disruptive approach to resource efficiency in synthesizing metals and metal compounds through an ionometallurgical process.
The research focuses on investigating the reactivity of various RE₂O₃ in imidazolium acetate and Lewis acidic chloridoaluminate ILs, providing a detailed analysis of the chemical transformation within these systems. A systematic study was conducted on the anhydrous dissolution of different RE₂O₃ in imidazolium-based ILs, composed of [BMIm][OAc] and [BMIm]Cl.3AlCl3 particularly under inert conditions to prevent water absorption from the air, thus avoiding any potential hydrates formation during the reaction. The dissolution experiments were performed at temperatures ranging from 150 °C to 175 °C, a range identified as optimal for maximizing solubility without causing decomposition of the ILs.
The in-depth chemistry of RE₂O₃ in [BMIm][OAc] and [BMIm]Cl·nAlCl3 are different. The activation of RE₂O₃ in the Lewis acidic ILs [BMIm]Cl· nAlCl3 is mainly influenced by the nucleophilic chloride and the concentration of [Al2Cl7]− anions that form anhydrous RECl3. The adherent remains of reacted IL can be removed from the RECl3 product by washing with toluene and DCM. Besides, the imidazolium cation remains preserved without any decomposition.
The [BMIm][OAc] shows the protic activation of RE₂O₃. The activation of RE₂O₃ is mainly driven through the N-heterocyclic carbenes (NHCs). The NHCs are formed by the
abstraction of the acidic C2 proton of the [BMIm]+ cation by the base, such as acetate (OAc–) in solution, which is protonated to acetic acid. Moreover, RE₂O₃ neither dissolves in neat acetic acid nor in [BDMIm][OAc], indicating the importance of the NHC for the activation reaction. The crystallized, dinuclear, homoleptic anhydrous [BMIm]2[RE2(OAc)8] complexes (RE = Sm, Eu and Tb) show photoluminescence and paramagnetic behavior. The samarium complex is a Langevin paramagnet, while the europium complex exhibits Van Vleck paramagnetism. Furthermore, the used IL can be regenerated by the reaction with acetic acid in the acetonitrile under inert conditions. The presence of the NHC in [BMIm][OAc] IL was further validated by the reaction of CuCl with a [BMIm][OAc] IL above 100 °C under an inert atmosphere. In the reacted pale-yellow solution, the [NHC] forms a CuICl complex, which is stable under inert conditions but reacts immediately when exposed to air to form a dinuclear, paddle-wheel [BMIm]2[CuII2(OAc)4Cl2] complex. The evidence of [NHC]CuCl complex is taken from spectroscopic data.
The findings indicate that the effective ionic radii of the rare-earth elements significantly influence the solubility of RE₂O₃ in imidazolium-based ILs. The results show that RE₂O₃ with RE = La–Dy are soluble in the ILs, with RE = Ho–Tm dissolving partially, while RE = Sc, Y, Yb, and Lu did not dissolve. This trend is explained by the increasing lattice energy of RE₂O₃ as the size of the RE³⁺ cations decrease.
This research highlights the potential of imidazolium-based ILs as versatile solvents for rare-earth metal oxide processing. It offers valuable insights into the factors affecting dissolution and provides a foundation for the development of more sustainable metal compound production, such as anhydrous RECl3. This provides an alternative to the conventional high-temperature reaction process and helps avoid the use of highly toxic chemicals
Augmented Displays - Combining Interactive Displays with Head-Mounted Augmented Reality
No full textDiese Arbeit stellt Augmented Displays vor, eine neue Klasse von Hybrid User Interfaces (HUIs), welche interaktive Oberflächen mit kopfgebundenen Augmented Reality Displays (AR HMDs) kombiniert. Beide Geräte sind ein einzelnes, nahtloses System integriert, in welchem sie ihre individuelles Potential entfalten können. Interaktive Oberflächen sind mittlerweile im Alltag allgegenwärtig. Durch ihre direkte Touch-Eingabe bieten sie einen niederschwelligen Zugang zu digitalen Inhalten und verdrängen zunehmend Desktop Computer. Obwohl diese Displays eine hohe Auflösung bieten, ist ihre Ausgabe lediglich zweidimensional. Gleichzeitig erfahren AR und VR Geräte eine ebenfalls immer größere Verbreitung. Im Gegensatz zu konventionellen Displays erlauben sie die Anzeige dreidimensionaler Inhalte mit einer hohen Immersion und bieten einen nahezu unbegrenzten Anzeigeraum. Aktuell haben sie noch Probleme mit Inhalten von hohem Detailgrad und der Interaktion mit den virtuellen Inhalten. Durch die Kombination beider Geräte können diese ihre individuellen Schwächen kompensieren und auf ihre Stärken aufbauen. Diesen Ansatz bezeichnet man als Hybrid User Interfaces. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Unterklasse von HUIs vorgestellt, welche als Augmented Displays bezeichnet wird. Insbesondere umfasst dies die Untersuchung der folgenden Forschungsfragen: (1) Was sind die Vorteile von der Kombination interaktiver Oberflächen mit kopfgebundener AR? (2) Welche visuellen Anteile der Benutzeroberfläche sollten entweder der interaktiven Oberfläche oder AR zugeordnet werden? (3) Wie können interaktive Oberflächen verwendet werden um räumlich verbundene AR Inhalte zu manipulieren? (4) Welche vielversprechenden Anwendungsbeispiele oder Anwendungsdomänen gibt es für die Kombination von Displays und AR?
Um diese Fragen zu beantworten wird ein umfassender Design Space vorgestellt, welcher die semantische und räumliche Verbindung zwischen der interaktiven Oberfläche und dem AR HMD beschreibt. Die Anforderungen an geeignete Geräte für Augmented Displays werden diskutiert und es wird untersucht, wie die Eingabemöglichkeiten der interaktiven Oberfläche für die Interaktion mit AR Inhalten verwendet werden können. Dieser reichhaltige Design Space wird durch eine Zahl von Anwendungsfällen untersucht, welche durch Veröffentlichungen in den Bereichen 3D Modellierung, Informationsvisualisierung auf großen Displays, Architektur, und medizinischer Visualisierungen repräsentiert werden. Außerdem wird ein System für die Evaluation von Augmented Displays Systemen vorgestellt. Abschließend werden mögliche Einschränkungen und Herausforderungen diskutiert, welche sich aus den Konzepten ergeben, sowie die mögliche Zukunft von Augmented Displays.:1 Introduction 1
1.1. Research Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Research Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. Methodological Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4. Outline and Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Background and Related Work 11
2.1. Background on Related Research Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1. Mixed and Augmented Reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2. Distributed User Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3. Multi-Display Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.4. Natural User Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.5. Hybrid User Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2. Prior Work on Combining Displays and Mixed Reality . . . . . . . . . 17
2.2.1. Hybrid User Interfaces and Early Works . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2. Extending Screen Space with AR . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3. Degree of Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.4. Device Types and Use Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Augmented Displays 25
3.1. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2. Supported Device Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3. Relationship Between Interactive Surface and AR HMD . . . . . . . . 29
3.3.1. Semantic Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.2. Spatial Proximity Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.3. Spatial Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.4. Boundaries and Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4. Interaction Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5. Multi-User Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4 DesignAR: Immersive 3D-Modeling Combining Augmented Reality with
Interactive Displays 39
5 Personal Augmented Reality for Information Visualization on Large
Interactive Displays 55
6 Augmented Displays: Seamlessly Extending Interactive Surfaces with
Head-Mounted Augmented Reality 69
7 Exploring and Slicing Volumetric Medical Data in Augmented Reality
Using a Spatially-Aware Mobile Device 75
8 AvatAR: An Immersive Analysis Environment for Human Motion Data
Combining Interactive 3D Avatars and Trajectories 83
9 Discussion 101
9.1. Technical Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
9.1.1. Head-Mounted Augmented Reality Displays . . . . . . . . . . 101
9.1.2. Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.1.3. Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.2. Evaluating Augmented Display Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.3. Non-Rectangular Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
9.4. Future Significance of Augmented Displays . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.4.1. Possible Technological Development . . . . . . . . . . . . . . 108
9.4.2. Adapting Augmented Displays to Other Contexts . . . . . . . 110
10 Conclusion 111
10.1.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
10.2.Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
10.3.Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
10.4.Final Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Bibliography 119
A Authorship Statements 131This thesis presents Augmented Displays, a new class of hybrid user interface (HUI) which combines interactive surfaces with head-mounted Augmented Reality displays (AR HMDs). Both devices are integrated into a single, seamless system to leverage their individual potential.
Interactive surfaces have become ubiquitous in our everyday lives. Thanks to their direct touch input, they offer intuitive access to digital content and are increasingly replacing desktop computers. Although these devices offer high resolution, their graphic output remains two-dimensional. At the same time, AR and VR devices are also becoming increasingly widespread. In contrast to conventional displays, they allow to display three-dimensional content with a high degree of immersion and offer an almost unlimited output space. However, they face problems in displaying high levels of detail and in interaction with content itself. Combining conventional displays with AR HMDs can compensate their individual weaknesses and build upon their corresponding strengths. This approach is known as hybrid user interfaces. This thesis presents a subclass of HUIs called Augmented Displays. In particular, the following research questions are investigated: (1) What are the benefits of combining interactive displays with head-mounted AR? (2) Which visual parts of the user interface should be mapped to either interactive surface and AR? (3) How can interactive surfaces be used to manipulate spatially related AR content? (4) What are promising use cases or application domains for the combination of displays with AR?
To answer those questions, a comprehensive design space is presented, which describes the semantic and spatial relationship between the interactive surface and AR HMD. The requirements for suitable devices for Augmented Displays are discussed as well as how the input capabilities of the interactive surface can be used to interact with AR content. This rich design space is then explored through a variety of use cases, represented by publications in the domains of 3D modeling, information visualization on large displays, architecture, and medical visualization. An additional publication presents a system for evaluating Augmented Displays and similar immersive systems. Finally, limitations and challenges regarding the concept and currently available devices are discussed, as is the possible future of Augmented Displays itself.:1 Introduction 1
1.1. Research Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Research Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. Methodological Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4. Outline and Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Background and Related Work 11
2.1. Background on Related Research Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1. Mixed and Augmented Reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2. Distributed User Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3. Multi-Display Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.4. Natural User Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.5. Hybrid User Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2. Prior Work on Combining Displays and Mixed Reality . . . . . . . . . 17
2.2.1. Hybrid User Interfaces and Early Works . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2. Extending Screen Space with AR . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3. Degree of Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.4. Device Types and Use Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Augmented Displays 25
3.1. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2. Supported Device Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3. Relationship Between Interactive Surface and AR HMD . . . . . . . . 29
3.3.1. Semantic Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.2. Spatial Proximity Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.3. Spatial Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.4. Boundaries and Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4. Interaction Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5. Multi-User Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4 DesignAR: Immersive 3D-Modeling Combining Augmented Reality with
Interactive Displays 39
5 Personal Augmented Reality for Information Visualization on Large
Interactive Displays 55
6 Augmented Displays: Seamlessly Extending Interactive Surfaces with
Head-Mounted Augmented Reality 69
7 Exploring and Slicing Volumetric Medical Data in Augmented Reality
Using a Spatially-Aware Mobile Device 75
8 AvatAR: An Immersive Analysis Environment for Human Motion Data
Combining Interactive 3D Avatars and Trajectories 83
9 Discussion 101
9.1. Technical Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
9.1.1. Head-Mounted Augmented Reality Displays . . . . . . . . . . 101
9.1.2. Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.1.3. Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.2. Evaluating Augmented Display Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.3. Non-Rectangular Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
9.4. Future Significance of Augmented Displays . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.4.1. Possible Technological Development . . . . . . . . . . . . . . 108
9.4.2. Adapting Augmented Displays to Other Contexts . . . . . . . 110
10 Conclusion 111
10.1.Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
10.2.Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
10.3.Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
10.4.Final Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Bibliography 119
A Authorship Statements 13
Advancing sustainable marine propulsion
No full textMaritime transport routes are vital for Europe as a key player in the global economy. The European Commission is seeking to transform it into a smart, green system, with the European Green Deal strategy targeting a 90% reduction in emissions by 2050 through sustainable alternatives. Ammonia (NH3) as an energy carrier offers the potential for fossil-free ship propulsion systems. However, storage of NH3 for
use in the propulsion system is subject to specific operational and design space requirements. Specifically, storage solution must maximize NH3 capacity within limited installation space while ensuring compatibility with existing containerized arrangements for seamless integration into existing vessels, because NH3 requires three times the storage space for same energy output as compared to conventional fuels. Composite fibre-reinforced polymers, with their outstanding mechanical properties, combined with excellent chemical resistance and low density, offer the possibility of designing NH3 lightweight pressure vessels that make optimal use of the available installation space. The methodology involves design space exploration, optimization, and verification through structural analysis of fibre reinforced composite tanks to ensure safety and structural integrity for maximizing storage efficiency.
This study promotes sustainable maritime transportation, paving the way for environmentally conscious and commercially viable NH3-fuelled marine propulsion system
Session 7 - Innovative approaches to membrane fouling and cleaning processes; Chairman: Jen-Yi Huang
No full textContribution to the recyclability assessment of multi-material structures with a focus on shredding
No full textRecycling is essential for sustainable development and the transition to a circular economy. One of the key challenges in mechanical recycling is the effective liberation of materials from multi-material structures during shredding. This thesis addresses this previously underexplored aspect by applying the finite element method (FEM) to simulate the shredding process in a rotary shredder. The aim was to develop a simulation-based methodology for predicting shredding performance with respect to the metrics liberation degree, specific mechanical energy consumption, and fragment size distribution.
A numerical model for shredding in a rotary shredder was developed based on experimental trials, using single-specimen tests with hybrid profiles and plates composed of steel and glass fiber-reinforced polymers, primarily joined by adhesion. The simulations successfully replicate the complex loading conditions as well as the material-specific fracture and deformation behavior. In addition, an automated post-processing method was developed to efficiently characterize simulated fragments and quantify mechanical energy consumption. The results demonstrate that FEM-based shredding simulations are a promising tool for predicting shredding performance and represent a novel contribution to the recyclability assessment of multi-material structures.:1 Introduction
1.1 Motivation
1.2 Literature survey
1.3 Research aim and methods
2 Theoretical background
2.1 Shredding processes in recycling
2.2 Assessment of shredding performance
2.3 Concepts of finite-element analysis
3 Phenomenological analysis of shredding experiments with profile specimens
3.1 Investigated multi-material specimens
3.2 Experimental setup for shredding tests
3.3 Methods for fragment characterization
3.4 Results and discussion
3.5 Conclusions
4 Development of a simulation model for the shredding of profile specimens
4.1 Modeling the hybrid profile specimen
4.2 Boundary conditions
4.3 Model evaluation workflow
4.4 Results and discussion
4.5 Conclusions
5 Abstracting shredding simulations for different specimen designs
5.1 Hybrid plate specimens: Specification and variants
5.2 Setup for shredding experiments
5.3 Setup for shredding simulations
5.4 Results and discussion
5.5 Conclusions
6 Application of shredding simulations for assessing and enhancing recyclability
6.1 Improved understanding of shredding processes and performance
6.2 Assessing shredding performance as a function of design
6.3 Assessing shredding performance based on process parameters
6.4 Challenges and limitations of FE shredding simulations
6.5 Assessing recyclability
7 Summary
Bibliography
A Appendices
A.1 Data available in online repository
A.2 Image analysis for determining fragment sizes
A.3 Post-processing of shredding simulations: Macros for LS-PrePost
A.4 Load cases in hybrid profile specimen shredding
A.5 Temperature increase in shredded fragments
A.6 Bending stiffness of hybrid plates
A.7 Manufacturing of hybrid plate specimens
A.8 Quality assessment of hybrid plate specimens
A.9 Modeling adhesion joint patterns for reduced adhesion area
A.10 Liberation degree of steel in hybrid plate shreddin
Raum für Emotion: Der architektonische Umgang mit negativen Emotionen im und um das Klassenzimmer
No full textDer vorliegende Forschungsartikel untersucht die Klassenzimmer zweier Förderschulen und versucht, mögliche Konzepte der Förderschule auf ein inklusives Klassenzimmer zu übertragen. Ziel der Arbeit ist es, herauszufinden, welche architektonischen Mittel dazu beitragen können, ein optimales Lernumfeld für alle Schüler:innen zu gestalten, insbesondere für diejenigen, die einen Schlaganfall erlitten haben. Es bedarf die Konzeption eines Ortes, der nicht nur einen Rückzugsort im oder am Klassenzimmer bietet, sondern auch einen Bereich schafft, um etwaige Frustration abzubauen und Emotionen zulassen zu können. [... aus dem Text
Microprinting process development enabling cost effective, high density and flexible electro-optical integration
No full textTo overcome the interconnect bottlenecks of chip-to-chip (C2C) data communication, we aim for an electro-optical integration approach combining electrical and optical interconnects for contacting and routing signals in electronic systems. This paper describes the development of additive microprinting manufacturing processes for the fabrication of optical routing and coupling using the multi-lithography approach with UV lithography, two-photon direct laser writing (2PP-DLW) and UV nano-imprinting (UV-NIL). Multimode and single-mode application scenarios for micro-structuring of ORMOCER® hybrid polymers and 2PP printing resins are discussed: the multichannel and multimode flexible optical links for 5G/6G base stations servers and the E/O-hybrid interposer for SiN-based photonic enabled trusted electronics with single-mode planar BEOL optics. The advances in 2PP-DLW and UV-NIL processes are described and the influence of processing parameters on the quality of manufactured optics is evaluated in the paper