Multimedia ONline ARchiv CHemnitz
Not a member yet
4978 research outputs found
Sort by
Simulation of the electron transport through silicon nanowires and across NiSi2-Si interfaces
No full textDie fortschreitenden Entwicklungen in der Mikro- und Nanotechnologie erfordern eine solide Unterstützung durch Simulationen. Numerische Bauelementesimulationen waren und sind dabei
unerlässliche Werkzeuge, die jedoch zunehmend an ihre Grenzen kommen. So basieren sie auf Parametern, die für beliebige Atomanordnungen nicht verfügbar sind, und scheitern für stark verkleinerte Strukturen infolge zunehmender Relevanz von Quanteneffekten.
Diese Arbeit behandelt den Transport in Siliziumnanodrähten sowie durch NiSi2-Si-Grenzflächen. Dichtefunktionaltheorie wird dabei verwendet, um die stabile Atomanordnung und alle für den elektronischen Transport relevanten quantenmechanischen Effekte zu beschreiben.
Bei der Untersuchung der Nanodrähte liegt das Hauptaugenmerk auf der radialen Abhängigkeit der elektronischen Struktur sowie deren Änderung bei Variation des Durchmessers. Dabei zeigt sich, dass der Kern der Nanodrähte für den Ladungstransport bestimmend ist. Weiterhin kann ein Durchmesser von ungefähr 5 nm identifiziert werden, oberhalb dessen die Zustandsdichte im Nanodraht große Ähnlichkeiten mit jener des Silizium-Volumenkristalls aufweist und der Draht somit zunehmend mit Näherungen für den perfekt periodischen Kristall beschrieben werden kann.
Der Fokus bei der Untersuchung der NiSi2-Si-Grenzflächen liegt auf der Symmetrie von Elektron- und Lochströmen im Tunnelregime, welche für die Entwicklung von rekonfigurierbaren Feldeffekttransistoren besondere Relevanz hat. Verschiedene NiSi2-Si-Grenzflächen und Verzerrungszustände werden dabei systematisch untersucht. Je nach Grenzfläche ist die Symmetrie dabei sehr unterschiedlich und zeigt auch ein sehr unterschiedliches Verhalten bei externer Verzerrung.
Weiterhin werden grundlegende physikalische Größen mit Bezug zu NiSi2-Si-Grenzflächen betrachtet. So wird beispielsweise die Stabilität anhand von Grenzflächen-Energien ermittelt. Am stabilsten sind {111}-Grenzflächen, was deren bevorzugtes Auftreten in Experimenten erklärt. Weitere wichtige Größen, deren Verzerrungsabhängigkeit untersucht wird, sind die Schottky-Barrierenhöhe, die effektive Masse der Ladungsträger sowie die Austrittsarbeiten von NiSi2- und
Si-Oberflächen.
Ein Beitrag zur Modellentwicklung numerischer Bauelementesimulationen wird durch einen Vergleich zwischen den Ergebnissen von Dichtefunktionaltheorie-basierten Transportrechnungen und denen eines vereinfachten Models basierend auf der Wentzel-Kramers-Brillouin-Näherung geliefert. Diese Näherung ist Teil vieler numerischer Bauelementesimulatoren und erlaubt die Berechnung des Tunnelstroms basierend auf grundlegenden physikalischen Größen. Der Vergleich
ermöglicht eine Evaluierung des vereinfachten Models, welches anschließend genutzt wird, um den Einfluss der grundlegenden physikalischen Größen auf den Tunneltransport zu untersuchen.:Index of Abbreviations
1. Introduction
2. Silicon Based Devices and Silicon Nanowires
2.1. Introduction
2.2. The Reconfigurable Field-effect Transistor
2.2.1. Design and Functionality
2.2.2. Fabrication
2.3. Overview Over Silicon Nanowires
2.3.1. Geometric Structure
2.3.2. Fabrication Techniques
2.3.3. Electronic Properties
3. Simulation Tools
3.1. Introduction
3.2. Electronic Structure Calculations
3.2.1. Introduction and Basis Functions
3.2.2. Density Functional Theory
3.2.3. Description of Exchange and Correlation Effects
3.2.4. Practical Aspects of Density Functional Theory
3.3. Electron Transport
3.3.1. Introduction
3.3.2. Scattering Theory
3.3.3. Wentzel-Kramers-Brillouin Approximation for a Triangular Barrier
3.3.4. Non-equilibrium Green’s Function Formalism
A. Radially Resolved Electronic Structure and Charge Carrier Transport in Silicon Nanowires
A.1. Introduction
A.2. Model System
A.3. Results and Discussion
A.4. Summary and Conclusions
A.5. Appendix A: Computational Details
A.6. Appendix B: Supplementary Material
A.6.1. Comparison of the Band Gap Between Relaxed and Unrelaxed SiNWs
A.6.2. Band Structures for Some of the Calculated SiNWs
A.6.3. Radially Resolved Density of States for Some of the Calculated SiNWs
B. Electron Transport Through NiSi2-Si Contacts and Their Role in Reconfigurable
Field-effect Transistors
B.1. Introduction
B.2. Model for Reconfigurable Field-effect Transistors
B.2.1. Atomistic Quantum Transport Model to Describe Transport Across the Contact Interface
B.2.2. Simplified Compact Model to Calculate the Device Characteristics
B.3. Results and Discussion
B.3.1. Characteristics of a Reconfigurable Field-effect Transistor
B.3.2. Variation of the Crystal Orientations and Influence of the Schottky Barrier
B.3.3. Comparison to Fabricated Reconfigurable Field-effect Transistors
B.4. Summary and Conclusions
B.5. Appendix: Supplementary Material
B.5.1. Band Structure and Density of States of the Contact Metal
B.5.2. Relaxation Procedure
B.5.3. Total Transmission Through Multiple Barriers
C. Formation and Crystallographic Orientation of NiSi2-Si Interfaces
C.1. Introduction
C.2. Fabrication and characterization methods
C.3. Model System and Simulation Details
C.4. Results and discussion
C.4.1. Atomic structure of the interface
C.4.2. Discussion of ways to modify the interface orientation
C.5. Summary
C.6. Appendix: Supplementary Material
D. NiSi2-Si Interfaces Under Strain: From Bulk and Interface Properties to Tunneling Transport
D.1. Introduction
D.2. Model System and Simulation Approach
D.3. Computational Details
D.3.1. Electronic Structure Calculations (Geometry Relaxations)
D.3.2. Electronic Structure Calculations (Electronic Structure)
D.3.3. Device Calculations
D.4. Tunneling Transport From First-principles Calculations
D.4.1. Evaluation of the Current
D.4.2. Isotropic Strain
D.4.3. Anisotropic Strain
D.5. Transport Related Properties and Effective Modeling Schemes
D.5.1. Schottky Barrier Height
D.5.2. Simplified Transport Model
D.5.3. Models for the Schottky Barrier Height
D.6. Summary and Conclusions
D.7. Appendix: Supplementary Material
D.7.1. Schottky Barriers of the {110} Interface Under Anisotropic Strain
D.7.2. Silicon Band Structure, Electric Field, and Number of Transmission Channels
D.7.3. k∥-resolved Material Properties
D.7.4. Evaluation of the Work Functions and Electron Affinities
D.7.5. Verification of the Work Function Calculation
4. Discussion
5. Ongoing Work and Possible Extensions
6. Summary
Bibliography
List of Figures
List of Tables
Acknowledgements
Selbstständigkeitserklärung
Curriculum Vitae
Scientific ContributionsThe ongoing developments in micro- and nanotechnologies require a profound support from simulations. Numerical device simulations were and still are essential tools to support the device development. However, they gradually reach their limits as they rely on parameters, which are not always available, and neglect quantum effects for small structures.
This work addresses the transport in silicon nanowires and through NiSi2-Si interfaces. By using density functional theory, the atomic structure is considered, and all electron transport related quantum effects are taken into account.
Silicon nanowires are investigated with special attention to their radially resolved electronic structure and the corresponding modifications when the silicon diameter is reduced. The charge transport occurs mostly in the nanowire core. A diameter of around 5 nm can be identified, above which the nanowire core exhibits a similar density of states as bulk silicon. Thus, bulk approximations become increasingly valid above this diameter.
NiSi2-Si interfaces are studied with focus on the symmetry between electron and hole currents in the tunneling regime. The symmetry is especially relevant for the development of reconfigurable field-effect transistors. Different NiSi2-Si interfaces and strain states are studied systematically. The symmetry is found to be different between the interfaces. Changes of the symmetry upon external strain are also very interface dependent.
Furthermore, fundamental physical properties related to NiSi2-Si interfaces are evaluated. The stability of the different interfaces is compared in terms of interface energies. {111} interfaces are most stable, which explains their preferred occurrence in experiments. Other properties, whose strain dependence is studied, include the Schottky barrier height, the effective mass of the carriers, and work functions.
A contribution to the development of numerical device simulators will be given by comparing the results from density functional theory based transport calculations and a model based on the Wentzel-Kramers-Brillouin approximation. This approximation, which is often employed in numerical device simulators, offers a relation between interface properties and the tunneling transport. The comparison allows an evaluation of the simplified model, which is then used to investigate the relation between the fundamental physical properties and the tunneling transport.:Index of Abbreviations
1. Introduction
2. Silicon Based Devices and Silicon Nanowires
2.1. Introduction
2.2. The Reconfigurable Field-effect Transistor
2.2.1. Design and Functionality
2.2.2. Fabrication
2.3. Overview Over Silicon Nanowires
2.3.1. Geometric Structure
2.3.2. Fabrication Techniques
2.3.3. Electronic Properties
3. Simulation Tools
3.1. Introduction
3.2. Electronic Structure Calculations
3.2.1. Introduction and Basis Functions
3.2.2. Density Functional Theory
3.2.3. Description of Exchange and Correlation Effects
3.2.4. Practical Aspects of Density Functional Theory
3.3. Electron Transport
3.3.1. Introduction
3.3.2. Scattering Theory
3.3.3. Wentzel-Kramers-Brillouin Approximation for a Triangular Barrier
3.3.4. Non-equilibrium Green’s Function Formalism
A. Radially Resolved Electronic Structure and Charge Carrier Transport in Silicon Nanowires
A.1. Introduction
A.2. Model System
A.3. Results and Discussion
A.4. Summary and Conclusions
A.5. Appendix A: Computational Details
A.6. Appendix B: Supplementary Material
A.6.1. Comparison of the Band Gap Between Relaxed and Unrelaxed SiNWs
A.6.2. Band Structures for Some of the Calculated SiNWs
A.6.3. Radially Resolved Density of States for Some of the Calculated SiNWs
B. Electron Transport Through NiSi2-Si Contacts and Their Role in Reconfigurable
Field-effect Transistors
B.1. Introduction
B.2. Model for Reconfigurable Field-effect Transistors
B.2.1. Atomistic Quantum Transport Model to Describe Transport Across the Contact Interface
B.2.2. Simplified Compact Model to Calculate the Device Characteristics
B.3. Results and Discussion
B.3.1. Characteristics of a Reconfigurable Field-effect Transistor
B.3.2. Variation of the Crystal Orientations and Influence of the Schottky Barrier
B.3.3. Comparison to Fabricated Reconfigurable Field-effect Transistors
B.4. Summary and Conclusions
B.5. Appendix: Supplementary Material
B.5.1. Band Structure and Density of States of the Contact Metal
B.5.2. Relaxation Procedure
B.5.3. Total Transmission Through Multiple Barriers
C. Formation and Crystallographic Orientation of NiSi2-Si Interfaces
C.1. Introduction
C.2. Fabrication and characterization methods
C.3. Model System and Simulation Details
C.4. Results and discussion
C.4.1. Atomic structure of the interface
C.4.2. Discussion of ways to modify the interface orientation
C.5. Summary
C.6. Appendix: Supplementary Material
D. NiSi2-Si Interfaces Under Strain: From Bulk and Interface Properties to Tunneling Transport
D.1. Introduction
D.2. Model System and Simulation Approach
D.3. Computational Details
D.3.1. Electronic Structure Calculations (Geometry Relaxations)
D.3.2. Electronic Structure Calculations (Electronic Structure)
D.3.3. Device Calculations
D.4. Tunneling Transport From First-principles Calculations
D.4.1. Evaluation of the Current
D.4.2. Isotropic Strain
D.4.3. Anisotropic Strain
D.5. Transport Related Properties and Effective Modeling Schemes
D.5.1. Schottky Barrier Height
D.5.2. Simplified Transport Model
D.5.3. Models for the Schottky Barrier Height
D.6. Summary and Conclusions
D.7. Appendix: Supplementary Material
D.7.1. Schottky Barriers of the {110} Interface Under Anisotropic Strain
D.7.2. Silicon Band Structure, Electric Field, and Number of Transmission Channels
D.7.3. k∥-resolved Material Properties
D.7.4. Evaluation of the Work Functions and Electron Affinities
D.7.5. Verification of the Work Function Calculation
4. Discussion
5. Ongoing Work and Possible Extensions
6. Summary
Bibliography
List of Figures
List of Tables
Acknowledgements
Selbstständigkeitserklärung
Curriculum Vitae
Scientific Contribution
Model Predictive Control as a Function for Trajectory Control during High Dynamic Vehicle Maneuvers considering Actuator Constraints
Get PDFAutonomous driving is a rapidly growing field and can bring significant transition in mobility and transportation. In order to cater a safe and reliable autonomous driving operation, all the systems concerning with perception, planning and control has to be highly efficient. MPC is a control technique used to control vehicle motion by controlling actuators based on vehicle model and its constraints. The uniqueness of MPC compared to other controllers is its ability to predict future states of the vehicle using the derived vehicle model. Due to the technological development & increase in computational capacity of processors and optimization algorithms MPC is adopted for real-time application in dynamic environments. This research focuses on using Model predictive Control (MPC) to control the trajectory of an autonomous vehicle controlling the vehicle actuators for high dynamic maneuvers. Vehicle Models considering kinematics and vehicle dynamics is developed. These models are used for MPC as prediction models and the performance of MPC is evaluated. MPC trajectory control is performed with the minimization of cost function and limiting constraints. MATLAB/Simulink is used for designing trajectory control system and interfaced with CarMaker for evaluating controller performance in a realistic simulation environment. Performance of MPC with kinematic and dynamic vehicle models for high dynamic maneuvers is evaluated with different speed profiles
Robotic Automation of Turning Machines in Fenceless Production: A Planning Toolset for Economic-based Selection Optimization between Collaborative and Classical Industrial Robots
Get PDFUrsprünglich wurden Industrieroboter hauptsächlich hinter Schutzzäunen betrieben, um den Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden. Mit der Flexibilisierung der Produktion wurden diese scharfen Trennbereiche zunehmend aufgeweicht und externe Sicherheitstechnik, wie Abstandssensoren, genutzt, um Industrieroboter schutzzaunlos zu betreiben. Ausgehend vom Gedanken dieser Koexistenz bzw. Kooperation wurde die Sicherheitssensorik in den Roboter integriert, um eine wirkliche Kollaboration zu ermöglichen. Diese sogenannten kollaborierenden Roboter, oder Cobots, eröffnen neue Applikationsfelder und füllen somit die bestehenden Automatisierungslücken. Doch welche Automatisierungsvariante ist aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten die geeignetste? Bisherige Forschung untersucht zum Großteil isoliert eine der beiden Technologien, ohne
dabei einen Systemvergleich hinsichtlich technologischer Spezifika und Wirtschaftlichkeit anzustellen. Daher widmet sich diese Dissertation einer Methodik zum wirtschaftlichen Vergleich von kollaborierenden Robotern und Industrierobotern in schutzzaunlosen Maschinenbeladungssystemen. Besonderer Fokus liegt dabei auf dem Herausarbeiten der technischen Faktoren, die die Wirtschaftlichkeit maßgeblich beeinflussen, um ein Systemverständnis der wirtschaftlichen Struktur beider Robotertechnologievarianten zu erhalten. Zur Untersuchung werden die Inhalte eines solchen Planungsvorhabens beschrieben, kategorisiert, systematisiert und modularisiert. Auf wirtschaftlicher Seite wird ein geeignetes Optimierungsmodell vorgestellt, während auf technischer Seite vor allem die Machbarkeit hinsichtlich Greifbarkeit, Layoutplanung, Robotergeschwindigkeiten und Zykluszeitbestimmung untersucht wird. Mit deduktiven, simulativen, empirischen und statistischen Methoden wird das Systemverhalten für die einzelnen Planungsinhalte analysiert, um die Gesamtwirtschaftlichkeit mit einem Minimum an Investment,- Produktions,- und Zykluszeitinformationen a priori vorhersagen zu können. Es wird gezeigt, dass durch einen Reverse Engineering Ansatz die notwendigen Planungsdaten, im Sinne von Layoutkomposition, Robotergeschwindigkeiten und Taktzeiten, mithilfe von Frontloading zu Planungsbeginn zur Verfügung gestellt werden können. Dabei dient der Kapitalwert als wirtschaftliche Bewertungsgrundlage, dessen Abhängigkeit vom Mensch-Roboter-Interaktionsgrad in einem Vorteilhaftigkeitsdiagramm für die einzelnen Technologiealternativen dargestellt werden kann. Wirtschaftlich fundierte Entscheidungen können somit auf quantitiativer Basis getroffen werden.:1. Introduction 25
1.1 Research Domain 25
1.2 Research Niche 26
1.3 Research Structure 28
2. State of the Art and Research 31
2.1 Turning Machines and Machine Tending 31
2.1.1 Tooling Machine Market Trends and Machine Tending Systems 31
2.1.2 Workpiece System 34
2.1.3 Machine System 36
2.1.4 Logistics System 39
2.1.5 Handling System 41
2.2 Robotics 43
2.2.1 Robot Installation Development and Application Fields 43
2.2.2 Fenceless Industrial and Collaborative Robots 48
2.2.3 Robot Grippers 55
2.3 Planning and Evaluation Methods 56
2.3.1 Planning of General and Manual Workstations 56
2.3.2 Cell Planning for Fully Automated and Hybrid Robot Systems 59
2.3.3 Robot Safety Planning 61
2.3.4 Economic Evaluation Methods 70
2.4 Synthesis - State of the Art and Research 71
3. Solution Approach 77
3.1 Need for Research and General Solution Approach 77
3.2 Use Case Delineation and Planning Focus 80
3.3 Economic Module – Solution Approach 86
3.4 Gripper Feasibility Module – Solution Approach 89
3.5 Rough Layout Discretization Model – Solution Approach 94
3.6 Cycle Time Estimation Module – Solution Approach 97
3.7 Collaborative Speed Estimation Module – Solution Approach 103
3.7.1 General Approach 103
3.7.2 Case 1: Quasi-static Contact with Hand 107
3.7.3 Case 2: Transient Contact with Hand 109
3.7.4 Case 3: Transient Contact with Shoulder 111
3.8 Synthesis – Solution Approach 114
4. Module Development 117
4.1 Economic Module – Module Development 117
4.1.1 General Approach 117
4.1.2 Calculation Scheme for Manual Operation 117
4.1.3 Calculation Scheme for Collaborative Robots 118
4.1.4 Calculation Scheme for Industrial Robots 120
4.2 Gripper Feasibility Module – Module Development 121
4.3 Rough Layout Discretization Module – Module Development 122
4.3.1 General Approach 122
4.3.2 Two-Dimensional Layout Pattern 123
4.3.3 Three-Dimensional Layout Pattern 125
4.4 Cycle Time Estimation Module – Module Development 126
4.4.1 General Approach 126
4.4.2 Reachability Study 127
4.4.3 Simulation Results 128
4.5 Collaborative Speed Estimation Module – Module Development 135
4.5.1 General Approach 135
4.5.2 Case 1: Quasi-static Contact with Hand 135
4.5.3 Case 2: Transient Contact with Hand 143
4.5.4 Case 3: Transient Contact with Shoulder 145
4.6 Synthesis – Module Development 149
5. Practical Verification 155
5.1 Use Case Overview 155
5.2 Gripper Feasibility 155
5.3 Layout Discretization 156
5.4 Collaborative Speed Estimation 157
5.5 Cycle Time Estimation 158
5.6 Economic Evaluation 160
5.7 Synthesis – Practical Verification 161
6. Results and Conclusions 165
6.1 Scientific Findings and Results 165
6.2 Critical Appraisal and Outlook 173Initially, industrial robots were mainly operated behind safety fences to account for the safety requirements. With production flexibilization, these sharp separation areas have been increasingly softened by utilizing external safety devices, such as distance sensors, to operate industrial robots fenceless. Based on this idea of coexistence or cooperation, safety technology has been integrated into the robot to enable true collaboration. These collaborative robots, or cobots, open up new application fields and fill the existing automation gap. But which automation variant is most suitable from an economic perspective? Present research dealt primarily isolated with one technology without comparing these systems regarding technological and economic specifics. Therefore, this doctoral thesis pursues a methodology to economically compare collaborative and industrial
robots in fenceless machine tending systems. A particular focus lies on distilling the technical factors that mainly influence the profitability to receive a system understanding of the economic structure of both robot technology variants. For examination, the contents of such a planning scheme are described, categorized, systematized, and modularized. A suitable optimization model is presented on the economic side, while the feasibility regarding gripping, layout planning, robot velocities, and cycle time determination is assessed on the technical side. With deductive, simulative, empirical, and statistical methods, the system behavior of the single planning entities is analyzed to predict the overall profitability a priori with a minimum of investment,- production,- and cycle time information. It is demonstrated that the necessary planning data, in terms of layout composition, robot velocities, and cycle times, can be frontloaded to the project’s beginning with a reverse engineering approach. The net present value serves as the target figure, whose dependency on the human-robot interaction grade can be illustrated in an advantageousness diagram for the individual technical alternatives. Consequently, sound economic decisions can be made on a quantitative basis.:1. Introduction 25
1.1 Research Domain 25
1.2 Research Niche 26
1.3 Research Structure 28
2. State of the Art and Research 31
2.1 Turning Machines and Machine Tending 31
2.1.1 Tooling Machine Market Trends and Machine Tending Systems 31
2.1.2 Workpiece System 34
2.1.3 Machine System 36
2.1.4 Logistics System 39
2.1.5 Handling System 41
2.2 Robotics 43
2.2.1 Robot Installation Development and Application Fields 43
2.2.2 Fenceless Industrial and Collaborative Robots 48
2.2.3 Robot Grippers 55
2.3 Planning and Evaluation Methods 56
2.3.1 Planning of General and Manual Workstations 56
2.3.2 Cell Planning for Fully Automated and Hybrid Robot Systems 59
2.3.3 Robot Safety Planning 61
2.3.4 Economic Evaluation Methods 70
2.4 Synthesis - State of the Art and Research 71
3. Solution Approach 77
3.1 Need for Research and General Solution Approach 77
3.2 Use Case Delineation and Planning Focus 80
3.3 Economic Module – Solution Approach 86
3.4 Gripper Feasibility Module – Solution Approach 89
3.5 Rough Layout Discretization Model – Solution Approach 94
3.6 Cycle Time Estimation Module – Solution Approach 97
3.7 Collaborative Speed Estimation Module – Solution Approach 103
3.7.1 General Approach 103
3.7.2 Case 1: Quasi-static Contact with Hand 107
3.7.3 Case 2: Transient Contact with Hand 109
3.7.4 Case 3: Transient Contact with Shoulder 111
3.8 Synthesis – Solution Approach 114
4. Module Development 117
4.1 Economic Module – Module Development 117
4.1.1 General Approach 117
4.1.2 Calculation Scheme for Manual Operation 117
4.1.3 Calculation Scheme for Collaborative Robots 118
4.1.4 Calculation Scheme for Industrial Robots 120
4.2 Gripper Feasibility Module – Module Development 121
4.3 Rough Layout Discretization Module – Module Development 122
4.3.1 General Approach 122
4.3.2 Two-Dimensional Layout Pattern 123
4.3.3 Three-Dimensional Layout Pattern 125
4.4 Cycle Time Estimation Module – Module Development 126
4.4.1 General Approach 126
4.4.2 Reachability Study 127
4.4.3 Simulation Results 128
4.5 Collaborative Speed Estimation Module – Module Development 135
4.5.1 General Approach 135
4.5.2 Case 1: Quasi-static Contact with Hand 135
4.5.3 Case 2: Transient Contact with Hand 143
4.5.4 Case 3: Transient Contact with Shoulder 145
4.6 Synthesis – Module Development 149
5. Practical Verification 155
5.1 Use Case Overview 155
5.2 Gripper Feasibility 155
5.3 Layout Discretization 156
5.4 Collaborative Speed Estimation 157
5.5 Cycle Time Estimation 158
5.6 Economic Evaluation 160
5.7 Synthesis – Practical Verification 161
6. Results and Conclusions 165
6.1 Scientific Findings and Results 165
6.2 Critical Appraisal and Outlook 17
Analyse des Materialtransports auf Vibrationsflächenförderern für das vibrationsbasierte Blechhandling
No full textVibrationsflächenförderer sind eine effiziente Alternative für automatisiertes Blechhandling mit geringem materiellen und technischen Aufwand. Geneigte,
vertikal vibrierende Faseroberflächen ermöglichen flexible Transportwege bei gleichzeitiger Funktionsintegration. Die Wirkzusammenhänge sind für den Praxiseinsatz jedoch nicht hinreichend bekannt. In diesem Beitrag wird
der Förderprozess auf einem Vibrationsflächenförderer analysiert. Die Ergebnisse erlauben die Charakterisierung der Bewegungsphasen und Abhängigkeiten der Fördergeschwindigkeit. Darüber hinaus wird die Effizienz der Förderbewegung betrachtet
Einfluss verschiedener Füge- und Klebeverfahren auf den Innenwiderstand von metallischen Bipolarplatten
Get PDFEine der Schlüsselkomponenten der Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte (BPP) welche den Kern eines Brennstoffzellensystems bildet und hierbei die mechanische Hauptstruktur des Brennstoffzellenstapels bildet. Die Bipolarplatte sorgt aber nicht nur für die Stabilität des Stacks, sondern übernimmt weitere Aufgaben wie die elektrische Verbindung der Zellen, die Gasverteilung über die Fläche der Platten, Gastrennung zwischen angrenzenden Zellen, Dichtung nach außen und Kühlung. Zentrale Zielstellung ist somit mittels alternativer Anbindungs- bzw. Fügeverfahren, wie der Einsatz leitfähiger Kleber, isolierender Kleber, sowie Laser- und Widerstandsschweißung eine anforderungsgemäße Verbindung der metallischen Bipolarplatten zu schaffen bei möglichst geringer Einschränkung der Korrosionsbeständigkeit. Gleichzeitig im jeweiligen Verfahren soll dabei eine gleichmäßigere Strom- u. Wärmeverteilung auf der Platte erzielt werden. Darüber hinaus beeinflusst die Anzahl der Schweiß- und/oder Klebepunkte, welche auf einer metallischen Bipolarplatte aufgebracht werden, die Alterung der Zellen, bedingt durch Wechselwirkungen zwischen dem Material der Bipolarplatten sowie der eingesetzten Klebematerialien, oder die Beschädigung der Korrosionsschutzbeschichtung der metallischen Bipolarplatten durch verschiedenste Schweißverfahren. Somit müssen die Anbindungspunkte der metallischen Bipolarplatte so ausgeführt werden, dass die Entstehung von Hot Spots und Korrosionsschwerpunkten vermieden wird, wobei eine ausreichende Strom- und Wärmeleitfähigkeit erzielt wird.One of the key components of the fuel cell is the bipolar plate (BPP), which forms the core of a fuel cell system and is the main mechanical structure of the fuel cell stack. However, the bipolar plate not only ensures the stability of the stack, but also performs other tasks such as the electrical connection of the cells, gas distribution over the surface of the plates, gas separation between adjacent cells, sealing to the outside and cooling. The central objective is thus to create a connection between the metallic bipolar plates that meets the requirements using alternative connection and joining processes, such as the use of conductive adhesives, insulating adhesives, as well as laser and resistance welding, with the least possible restriction of corrosion resistance. At the same time, a more even current and heat distribution on the plate is to be achieved in the respective process. Furthermore, the number of welding and/or bonding points applied to a metallic bipolar plate influences the ageing of the cells due to interactions between the material of the bipolar plates and the bonding materials used, or the damage to the anti-corrosion coating of the metallic bipolar plates caused by various welding processes. Thus, the connection points of the metallic bipolar plate must be designed in such a way that the formation of hot spots and corrosion foci is avoided, while sufficient current and heat conductivity is achieved
Methode zur Simulationsgestützten Kapazitätsdimensionierung unter Einbeziehung von Umwelteinflüssen im Kontext der Brennstoffzellenfertigung
No full textDer Wandel von konventionellen Antriebskonzepten hin zu Alternativen wie der Brennstoffzellentechnologie vollzieht sich in einem sehr dynamischen Umfeld. Entsprechend komplex gestaltet sich die Problemstellung, eine Fabrik zum gegenwärtigen Zeitpunkt mit langfristigem wirtschaftlichem Erfolgspotential zu dimensionieren. Im folgenden Beitrag wird ein Ansatz vorgestellt, der die Einbeziehung der Umweltsituation in den Fabrikplanungsprozess ermöglicht. Unter Anwendung des System Dynamics-Ansatzes wird ein Simulationsmodell aufgebaut, welches die Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf die Kapazitätsdimensionierung darstellt. Dabei werden Umweltdaten aus dem öffentlichen, technologischen und wirtschaftlichen Umfeld der Brennstoffzellenfertigung erhoben. Die so erhobenen Daten dienen als Grundlage für die Bestimmung von Modellierungsparametern, welche die wesentlichen Umwelteinflüsse repräsentieren. Im anschließenden Simulationslauf wird das dynamische Zusammenspiel der Einflüsse betrachtet und mit einer monetären Bewertung untersetzt. Die aus dem Simulationsmodell gewonnenen Ergebnisse belegen, dass die weitgehende Berücksichtigung von Umweltdaten im Umfeld der Brennstoffzellenfertigung praktikabel ist und zu vorteilhafteren Planungsergebnissen beitragen kann.The shift from conventional drive concepts to alternatives such as fuel cell technology is taking place in a very dynamic environment. The problem of dimensioning a factory with long-term economic success potential is correspondingly complex. In the following paper an approach is presented which allows the inclusion of environmental factors into the factory planning process. Using the System Dynamics approach, a simulation model is built which represents the effects of environmental influences on capacity dimensioning. Environmental data from the public, technological and economic environment of fuel cell manufacturing are collected. The collected data serves as a basis for the determination of modeling parameters, which represents the main environmental influences. In the subsequent simulation run, the dynamic interaction of the influences is considered and underpinned with a monetary evaluation. The results obtained from the simulation model prove that the extensive consideration of environmental data in the environment of fuel cell production is practicable and can contribute to more advantageous planning results
Hot forming of metallic bipolar plates using conductive heating
No full textA heating technology was combined with forming processes to enlarge the formable channel depth of metallic bipolar plates in two process routes. To apply a rapid heating process, electrical resistance heating was chosen and integrated into a forming tool.
With a hot forming as well as a two-stage forming process with annealing, two different process routes are presented. According to the results, the technology of resistance heating is well suited for the improvement of the formable channel depth. For both process routes, an increase in forming depth was demonstrated. In hot forming, the channel depth could be improved by up to 50% depending on geometrical parameters of the tool as well as the state of temperature of the sheet.Zur Vergrößerung der umformbaren Kanaltiefe von metallischen Bipolarplatten wurde eine Erwärmungstechnologie mit dem Umformprozess kombiniert. Zur Anwendung eines schnellen Erwärmungsprozesses wurde die elektrische Widerstandserwärmung gewählt und in ein
Umformwerkzeug integriert.
Mit der Warmumformung sowie einem zweistufigen Umformprozess mit Zwischenglühen wurden zwei unterschiedliche Prozessrouten analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Technologie der Widerstandserwärmung für eine Verbesserung der umformbaren Kanaltiefe geeignet ist. Für beide Prozessrouten konnte eine Erhöhung der Umformtiefe nachgewiesen werden. Bei der
Warmumformung konnte die Kanaltiefe in Abhängigkeit der geometrischen Parameter des Werkzeugs sowie des Temperaturzustands des Blechs um bis zu 50% verbessert werden
Advanced Scheduling Techniques for Mixed-Criticality Systems
Get PDFTypically, a real-time system consists of a controlling system (i.e., a computer) and a controlled system (i.e., the environment). Real-time systems are those systems where correctness depends on two aspects: i) the logical result of computation and, ii) the time in which results are produced. It is essential to guarantee meeting timing constraints for this kind of systems to operate correctly. Missing deadlines in many cases -- in so-called hard real-time systems -- is associated with economic loss or loss of human lives and must be avoided under all circumstances.
On the other hand, there is a trend towards consolidating software functions onto fewer processors in different domains such as automotive systems and avionics with the aim of reducing costs and complexity. Hence, applications with different levels of criticality that used to run in isolation now start sharing processors. As a result, there is a need for techniques that allow designing such mixed-criticality (MC) systems -- i.e., real-time systems combining different levels of criticality -- and, at the same time, complying with certification requirements in the different domains.
In this research, we study the problem of scheduling MC tasks under EDF (Earliest Deadline First) and propose new approaches to improve scheduling techniques. In particular, we consider that a mix of low-criticality (LO) and high-criticality (HI) tasks are scheduled on one processor. While LO tasks can be modeled by minimum inter-arrival time, deadline, and worst-case execution time (WCET), HI tasks are characterized by two WCET parameters: an optimistic and a conservative one.
Basically, the system operates in two modes: LO and HI mode. In LO mode, HI tasks run for no longer than their optimistic execution budgets and are scheduled together with the LO tasks. The system switches to HI mode when one or more HI tasks run for more than their conservative execution budgets. In this case, LO tasks are immediately discarded so as to be able of accommodating the increase in HI execution demand. We propose an exact test for mixed-criticality EDF, which increases efficiency and reliability when compared with the existing approaches from the literature. On this basis, we further derive approximated tests with less complexity and, hence, a reduced running time that makes them more suitable for
online checks.:Contents
1. Introduction 1
1.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3. Structure of this Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Concepts, Models and Assumptions 7
2.1. Real-Time Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1. Tasks Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2. Scheduling Policies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1. Feasibility versus Schedulability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2. Schedulability Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3. Mixed-Criticality Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4. Basic Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5. The Earliest Deadline First Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5.1. EDF-VD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.2. Mixed-Criticality EDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.3. Demand Bound Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3. Related Work 17
3.1. Uniprocessor Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.1. Uniprocessor Scheduling Based on EDF . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2. Multiprocessor Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.1. Multiprocessor Scheduling Based on EDF . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4. Introducing Utilization Caps 23
4.1. Introducing Utilization Caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.1. Fixed utilization caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.1.2. Optimized utilization caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2. Findings of this Chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5. Bounding Execution Demand under Mixed-Criticality EDF 29
5.1. Bounding Execution Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.2. Analytical Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.1. The GREEDY Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.2. The ECDF Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3. Finding Valid xi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.4. Findings of this Chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6. Approximating Execution Demand Bounds 41
6.1. Applying Approximation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2. Devi’s Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2.1. Per-task deadline scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.2.2. Uniform deadline scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2.3. Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3. Findings of this Chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7. Evaluation and Results 49
7.1. Mixed-Criticality EDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.2. Obtaining Test Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.2.1. The Case Di = Ti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.2.2. The Case Di ≤ Ti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.3. Weighted schedulability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.4. Algorithms in this Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.4.1. The EDF-VD and DEDF-VD Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.4.2. The GREEDY algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.4.3. The ECDF algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.5. Evaluation of Utilization Caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.5.1. 10 tasks per task set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.5.2. 20 tasks per task set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.5.3. 50 tasks per task set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.5.4. Comparison of runtime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.6. Evaluation of Execution Demand Bounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.6.1. Comparison for sets of 10 tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.6.2. Comparison for sets of 20 tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.7. Evaluation of Approximation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.7.1. Schedulability curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.7.2. Weighted schedulability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.7.3. Comparison of runtime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.8. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8. Conclusion and Future Work 77
8.1. Outlook/Future Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Bibliography 83
A. Introduction 91
A.1. Multiple Levels of Criticality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
A.1.1. Ordered mode switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
A.1.2. Unordered mode switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
B. Evaluation and Results 95
B.1. Uniform Distribution for Task Periods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Kinderarbeit in Chemnitzer Blumenfabriken
No full textManuel Schramm thematisiert Kinderarbeit im Chemnitz des 19. Jahrhunderts am Beispiel der Kunstblumenherstellung
Performance Modelling for Optimized Resource Management and Application Deployment in Cloud Environments
No full textCloud computing is an exciting concept that propels the development of technologies, the creation and expansion of businesses and the rapid prototyping of new ideas. Utilizing the advantages the cloud offers to their fullest potential is not a simple task and thus often users struggle with the technological aspects, lose revenue or do not attempt to benefit from this idea at all.
In this dissertation, we identify the lack of standards for performance descriptions as well as the steep learning curve to get familiar with the cloud, which is further amplified by the abundance of available services, as the most prevalent issues that individuals and companies encounter. We further show the relevance of solving these issues by outlining the expected impact, which includes decreased time and financial detriments for individuals and companies as well as a negative effect on the environment.
To solve the identified problems we propose the development of a cloud broker with three key components that utilize a performance oriented resource and application model to 1) compare arbitrary resources and applications in a fair manner based on general information, collected with standard benchmark tools 2) select the optimal infrastructure for any application by estimating its resource consumption and execution time and 3) automatically create and manage the selected infrastructure as well as the application deployment.
Our contributions to this proposal include the development and test of prototypical proof-of-concept implementations for the three components, the design of the underlying resource and application performance model as well as the selection of appropriate, generic benchmark solutions, which we deployed on two major public clouds using our prototypes.
In an extensive objective-based evaluation we assess that we contributed towards solving all the major issues that we identified to increase the usability and efficiency of cloud computing by enabling a better comprehension of resource and application performance in cloud environments and by reducing the necessary time and effort to deploy arbitrary applications in the cloud. We conclude by interpreting the evaluation results and providing an outlook towards future work.:1 Introduction
2 Challenges
3 Improve Resource Selection and Management in Cloud Environments
4 Cloud Resource Comparison
5 Resource Estimation
6 Cloud Application Execution
7 Overall Evaluation
8 Conclusion
A LFA Artifacts
B Analysis and Results
C PoC PlatformDie Dissertation beschäftigt sich mit der effizienten Nutzung von Cloud Ressourcen zur Beschleunigung der Entwicklung neuer Technologien und Geschäftsmodellen sowie des Rapid Prototypings neuer Ideen. Auf Grund der Komplexität von Cloud Plattformen, stellt die Nutzung derer oft eine große Hürde, speziell für kleine und mittlere Unternehmen dar, weshalb oft Ressourcen verschwendet werden, Prozesse mehr Zeit in Anspruch nehmen als nötig oder erst gar kein Versuch unternommen wird, diese Technologie zu nutzen.
In der Arbeit werden dazu drei Kernprobleme identifiziert und thematisiert. Dies sind Lücken in Bezug auf Standards zur Beschreibung der Performance von Cloud Ressourcen, die Fülle an existierenden Cloud Diensten, sowie die steile Lernkurze bei der Nutzung dieser Dienste.
Zur Lösung der identifizierten Probleme, wird in der Arbeit die Entwicklung einer Cloud Broker Anwendung mit drei Kernkomponenten vorgeschlagen, die ein Performanz-orientiertes Ressourcen- und Anwendungsmodell verwenden, welches es ermöglicht:
1) beliebige Ressourcen und Anwendungen unterschiedlichster Anbieter mit der Hilfe von frei verfügbaren und standardisierten Benchmark Tools zu vergleichen,
2) die passende Infrastruktur für jede auszuführende Anwendung durch Schätzung des Ressourcenbedarfs und der Dauer der Ausführung auszuwählen und
3) die gewählte Infrastruktur automatisch in der Cloud erzeugt und die Anwendung selbstständig ausführt.
Im Rahmen der Dissertation wurden dazu alle drei Kernkomponenten prototypisch implementiert, das zugrundeliegende Ressourcen und Anwendungsmodell designt, sowie geeignete Benchmark Lösungen ausgewählt und umfangreiche Benchmarks auf zwei großen, öffentlichen Cloud Plattformen mit Hilfe der entwickelten Prototypen durchgeführt. In einer umfassenden zielorientierten Evaluation, wird der Beitrag zur Lösung der im Vorfeld identifizierten Probleme bewertet und festgestellt, dass mit den entwickelten Komponenten sowohl die Nutzbarkeit als auch Effizienz von Cloud-Computing insgesamt erhöht werden kann. Dies wird ermöglicht durch ein besseres Verständnis der Ressourcen und Anwendungsperformanz, sowie durch Reduzierung der notwendigen Zeit und des Aufwands für eine Anwendungsausführung in der Cloud. Im Vortrag wird abschließend noch ein Ausblick auf weiterführende Arbeiten gegeben.:1 Introduction
2 Challenges
3 Improve Resource Selection and Management in Cloud Environments
4 Cloud Resource Comparison
5 Resource Estimation
6 Cloud Application Execution
7 Overall Evaluation
8 Conclusion
A LFA Artifacts
B Analysis and Results
C PoC Platfor