Clausthal University of Technology
Publikationsserver der Technischen Universität ClausthalNot a member yet
3596 research outputs found
Sort by
Beitrag zur Charakterisierung von Grenzflächenphänomenen beim Widerstandspunktschweißen
Full text linkDie Zielstellung dieser Arbeit beinhaltet die Charakterisierung von Grenzflächenphänomenen, die beim Widerstandspunktschweißen und -punktschweißkleben von Fügeverbindungen des automobilen Karosseriebaus auftreten. Die Unterteilung dieser Arbeit beinhaltet als einen Hauptteil das Widerstandspunktschweißkleben von heterogenen und asymmetrischen Verbindungen aus Stahlwerkstoffen. In diesem Bereich wurde die Erhöhung der schweißtechnischen Verarbeitbarkeit und die Erweiterung des Schweißbereichs definierter Blechdickenkombinationen (BDK) verfolgt. Als zweiter Hauptteil wird das Widerstandspunktschweißen einer AlMg-Legierung behandelt. Hier lagen die Bestrebungen in einer Reduzierung der elektrodenseitigen Degradationserscheinungen und in einer Erhöhung der erreichbaren Elektrodenstandmenge. Zwei heterogene asymmetrische BDK wurden hinsichtlich ihres Schweißbereichs unter Anwendung des Widerstandspunktschweißklebens untersucht. Die Zusammensetzung beider BDK unterscheidet sich durch eine jeweilige Kombination aus dem Kaltumformstahl DX51 und dem Vergütungsstahl 22MnB5. Beide BDK erzielten unter dem Einsatz des Referenzprozesses einen unzureichenden Schweißbereich. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden Vorgaben eines geeigneten Vorwärmimpulses definiert, wodurch beide BDK unter Berücksichtigung spezifischer Eigenschaften konditioniert werden konnten. Die Anwendung dieser angepassten Schweißprozesse konnte den jeweiligen Schweißbereich sowohl in Richtung niedriger (Imin) als auch in Richtung höherer Schweißstromstärken (Imax) erweitern. Begründet werden kann dies einerseits durch eine geeignete Vorwärmung und eine hieraus resultierende Unterstützung des Schweißlinsenwachstums im Bereich Imin. Gleichzeitig können die Überhöhungen des elektrischen Widerstands durch die Klebstoffschichten verringert und somit die Wahrscheinlichkeit von Schweißspritzern im Bereich Imax reduziert werden. Das Widerstandspunktschweißen der Legierung AlMg3 unterliegt einer rapiden Degradation der Elektrodenarbeitsflächen. Die Entwicklung von strukturierten Elektrodenarbeitsflächen konnte eine hinreichende Oxidschichtzerstörung erreichen und somit die thermische Belastung der Elektroden reduzieren. Eine zusätzliche Diffusionssperrschicht im Schichtdickenbereich ≤ 3 µm sollte zudem Diffusionsvorgänge im Cu–Al Kontakt unterbinden. Mikro-Strukturierungen (Partikelstrahlprozess) erwiesen sich wenig beständig gegenüber plastischer Deformation, wodurch hohe Ergebnisschwankungen beobachtet werden konnten. Makro-Strukturierungen (Drehprozess) in Form von Multi-Ring-Konturen konnten diese spezifischen Nachteile kompensieren. Zusammen mit den entwickelten Sperrschichten Ni (3,0 µm), W (2,5 µm) und TiB2 (0,6 µm) wurden diese innerhalb von Standmengenuntersuchungen geprüft. TiB2 (0,6 µm) führte aufgrund einer unzureichenden Oxidschichtzerstörung zu einer geringen Elektrodenstandmenge. W (2,5 µm) wies frühzeitig eine Anhaftung von Aluminium auf und führte ebenfalls zu nicht hinreichenden Ergebnissen. Ni (3,0 µm) führte hingegen zu einer deutlichen Reduzierung der Degradationsgeschwindigkeit. Die Kombination aus der Makro-Strukturierung und der Ni-Beschichtung konnte die Elektrodenstandmenge und die Qualität der Fügeverbindungen deutlich steigern.The objective of this work is to characterize interface phenomena that occur during resistance spot welding and spot welding bonding of joints in automotive body construction. One main part of this work focuses on spot welding bonding of heterogeneous and asymmetrical joints made of steel materials. In this area, the aim was to increase the weldability and expand the weld lobe of defined sheet thickness combinations (STC). The second main part focuses on resistance spot welding of an AlMg alloy. Here, the aim was to reduce degradation phenomena on the electrode working face and increase the achievable electrode life. Two heterogeneous asymmetrical STCs were examined with regard to their weldability using resistance spot welding. The composition of both STCs differs in terms of their respective combinations of DX51 cold-formed steel and 22MnB5 tempered steel. Both STCs achieved insufficient weldability when using the reference process. Based on these results, specifications for a suitable preheating pulse were defined, which allowed both STCs to be conditioned taking into account their specific properties. The application of these adapted welding processes was able to extend the respective weld lobe both in the direction of lower (Imin) and higher welding currents (Imax). This can be explained on the one hand by suitable preheating and the resulting support of weld nugget growth in the Imin range. At the same time, the increase in electrical resistance caused by the adhesive layers can be reduced, thereby reducing the probability of weld spatter in the Imax range. Resistance spot welding of the AlMg3 alloy is subject to rapid degradation of the electrode working faces. The development of structured electrode working faces has achieved sufficient oxide layer destruction, thereby reducing the thermal load on the electrodes. An additional diffusion barrier layer with a thickness of ≤ 3 µm should also prevent diffusion processes at the Cu–Al contact. Microstructuring (particle beam process) proved to be less resistant to plastic deformation, causing high variations in results. Macrostructuring (machining process) in the form of multi-ring contours was able to compensate for these specific disadvantages. Together with the developed barrier layers Ni (3.0 µm), W (2.5 µm) and TiB2 (0.6 µm), were tested in electrode life examinations. TiB2 (0.6 µm) led to a low electrode life due to insufficient oxide layer destruction. W (2.5 µm) showed early adhesion of aluminum and also led to unsatisfactory results. Ni (3.0 µm), on the other hand, led to a significant reduction in the degradation rate. The combination of macrostructuring and Ni coating significantly increased the electrode life and the quality of the joints
Towards a generic and resource-efficient testbed for federated learning in wireless sensor networks
Full text linkThis paper presents a lightweight, modular and portable testbed for evaluating Federated Learning (FL) on embedded wireless sensor network (WSN) nodes. The testbed is designed for Tiny Edge and Little Edge level devices and supports structured data flow, multi-threaded communication and flexible algorithm integration. It enables simulation of sensor data, local training of models using various artificial intelligence algorithms, and communication between clients and the server. It gives precise control over training conditions, node behavior during model training and the timing of individual operations - facilitating research into realistic FL scenarios in constrained environments. All with the strict rules of embedded programming optimization
AI4U: structured design process for modular AI applications
Full text linkThis paper presents the concept of AI4U, a structured methodology for designing modular applications that include artificial intelligence (AI) components. The methodology aims to help users move from functional goals to a complete system composed of reusable software and hardware modules. AI4U defines six design stages and assigns responsibilities to defined roles, such as user, integrator, and developer. Modules are described using metadata, allowing automatic matching and basic validation. . The process is illustrated with a planned use case: MobiRobAI, an autonomous robot for harvesting tomatoes in greenhouses. Although AI4U is still in development, it aims to reduce system design complexity and make AI applications easier to build, adapt, and test
Towards low-intrusive monitoring of energy-constrained nodes during different lifecycle stages in WSN deployments
Full text linkDebugging and monitoring Internet of Things (IoT) systems for deployments in energy-constrained environments remains a challenge. Continuous power access is unavailable and battery technology remains limited. This paper describes a low-intrusive tool designed for debugging on low-power customdesigned nodes during different lifecycle stages. Our approach prioritizes minimal interruption and negligible performance degradation, in attempt to ensure the same runtime conditions for both debugging and final deployments
Ausgewählte Zweitverwendungsszenarien für Second‐Life Lithium Traktionsbatterien im Kontext der Kreislaufwirtschaft
Full text linkDiese Dissertation befasst sich mit der Weiterverwendung ausgemusterter Lithium-Ionen-Traktionsbatterien aus der Elektromobilität. Im Zentrum der Arbeit steht die Integration dieser Batterien in solarbasierte Mini-Grid-Systeme zur nachhaltigen Elektrifizierung abgelegener Regionen in Subsahara-Afrika. Anhand eines prototypischen Anwendungsfalls auf einer Insel im Viktoriasee (Tansania) wird das technische, ökologische und sozioökonomische Potenzial eines 85 kWh-Second-Life-Batteriespeichers demonstriert. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Bereitstellung elektrischer Energie signifikante Verbesserungen insbesondere in den Bereichen Gesundheit und lokale wirtschaftliche Entwicklung erzielt werden können. Gleichzeitig werden die Umweltwirkungen durch die Vermeidung fossiler Energieträger reduziert. Zur Erhöhung der wirtschaftlichen Tragfähigkeit des Ansatzes wird zudem die Nutzung von Mechanismen des internationalen Emissionshandels zur Strompreisreduktion analysiert. Die Arbeit leistet einen Beitrag zur wissenschaftlichen Bewertung von Second-Life-Batterien im Kontext der Kreislaufwirtschaft und dezentraler Energiesysteme und zeigt deren Potenzial zur Förderung nachhaltiger Entwicklung in strukturschwachen Regionen auf.This dissertation deals with the reuse of decommissioned lithium-ion traction batteries from electromobility. At the centre of the work is the integration of these batteries into solar-based mini-grid systems for the sustainable electrification of remote regions in sub-Saharan Africa. The technical, ecological and socio-economic potential of an 85 kWh second-life battery storage system is demonstrated using a prototype application on an island in Lake Victoria (Tanzania). The results show that significant improvements can be achieved through the provision of electrical energy, particularly in the areas of health and local economic development. At the same time, the environmental impact is reduced by avoiding fossil fuels. To increase the economic viability of the approach, the use of international emissions trading mechanisms to reduce electricity prices is also analysed. The work makes a contribution to the scientific evaluation of second-life batteries in the context of the circular economy and decentralised energy systems and demonstrates their potential to promote sustainable development in structurally weak regions
Evaluation of blast cleaning effects on the fatigue strength considering different weld details in structural steel
Full text linkBlast cleaning is a process commonly used to remove slag residues, welding spatter, and similar contaminants from welded components in order to prepare surfaces for coating. Recent studies have also demonstrated the potential of blast cleaning to enhance fatigue strength, primarily due to surface hardening and the introduction of compressive residual stresses. However, unlike the related process of shot peening, which is recognized as a post-weld treatment method, the fatigue strength enhancement achieved through blast cleaning has not yet been verified in its entirety. There is still a need for research, particularly regarding the influence of varying notch sharpness in different weld details and the stability of the induced compressive residual stresses. In this context, fatigue strength investigations were conducted on welded butt joints, transverse stiffeners, and longitudinal stiffeners in the blast cleaned condition under constant amplitude loading using S355J2+N construction steel. Prior to fatigue testing, the welded specimens were analysed regarding surface residual stress distribution as well as the impact of different tension and compression preloads. The results show that the initial residual stress state changes depending on the level and number of cyclic preloads. With regard to the improvement in fatigue strength due to blast cleaning, it is shown that the degree of enhancement decreases as the notch sharpness increases
Entwicklung von Redox-Materialien und deren Integration in die regenerative Produktion von Brennstoffen und Chemikalien als Beitrag zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft
Full text linkZweistufige thermochemische Redox-Kreisprozesse bieten wertvolle und vielfältige Optionen für die Speicherung und für die Nutzung von Solarenergie, die einen großen Einfluss auf die solare Stromerzeugung zum einen und auf chemische Prozesse zur Brennstoff-, Chemikalien- und Düngemittelherstellung zum anderen haben können. Es ist elementar, die grundlegenden Redoxeigenschaften der Metalloxide zu verstehen und berücksichtigen, um fundierte Entscheidungen bei der Entwicklung dieser Technologien zu treffen. Es stellte sich beispielsweise heraus, dass die nichtstöchiometrisch reagierenden Redox-Materialien Ceroxid und Perowskite im Vergleich zu einfachen Oxiden (z.B. Zinkoxid oder Eisenoxid), die während der Reduktion eine Phasenänderung durchlaufen, eine geringere spezifische Speicherkapazität aufweisen. Sie machen den Nachteil wett durch ihre Zyklenstabilität und durch die Vermeidung von unüberwindbaren Herausforderungen bei der Prozessführung, die mit Phasenwechseln bei hohen Temperaturen verbunden ist. Darüber hinaus können die Eigenschaften von Perowskit-Materialien durch geeignete Elementkombinationen so eingestellt werden, dass sie bei niedrigen Temperaturen eine hohe Redoxaktivität aufweisen, was bei Technologien zur Luftzerlegung und beim thermochemischen Pumpen von Sauerstoff von großem Vorteil ist. Das Screening geeigneter Redox-Materialien startet mit der numerischen Analyse ihrer thermodynamischen Eigenschaften und dem Abgleich mit den durch die Anwendungen geforderten Randbedingungen. Die Validierung erfolgt anschließend mit experimentellen Methoden, welche dann ausgeweitet werden auf die Bestimmung der Kinetik der beteiligten Reaktionsschritte und der Materialstabilität, beides weitere Eigenschaften, die die Eignung eines Materials als reaktives Funktionsmaterial für einen thermochemischen Kreisprozess entscheidend mitbestimmen. Eine Anwendung von Redox-Materialien in der Solarchemie ist nur möglich, wenn diese in eine spezielle Form gebracht werden, so dass ihre Funktion von der eines Reaktivmaterials auf die eines Solarabsorbermaterials ausgeweitet wird. Dies gelingt durch Formgebung in zwei grundsätzliche Richtungen: zum einen wurden erfolgreich Methoden entwickelt, um poröse monolithische Strukturen (Parallelkanalmonolithe oder keramische Schäume) aus dem Metalloxid zu fertigen, in die die Solarstrahlung eindringen kann, zum anderen wurde das Material in granulare Form gebracht, so dass es durch den Fokus des konzentrierten Lichts gefördert werden kann. In einer dieser Formen lässt sich das Funktionsmaterial in geeignete (Receiver-)Reaktoren integrieren, die das Herzstück einer solarchemischen Anlage darstellen und Solarenergie in chemische Energie umwandeln, um sie zu speichern oder sie zur Herstellung von Brennstoffen zu nutzen. Solche Systeme wurden schon bis in den Prototyp- und Demonstrationsmaßstab hinein entwickelt und unter realistischen Randbedingungen in Sonnensimulatoren oder auf Solarturmanlangen erprobt. Die Ergebnisse sind vielversprechend, allerdings konnten bislang aufgrund von Wärmeverlusten in diversen Komponenten der Anlagen nur etwa 5 % des Solarenergieangebots in Brennstoff umgewandelt werden. Techno-ökonomische Studien zeigen, dass thermochemische Kreisprozesse an geeigneten Solarstandorten wirtschaftlich konkurrenzfähig werden, wenn Wirkungsgrade um 20 % oder mehr erreicht werden. Die aktuellen Anstrengungen im F&E Bereich versuchen zurzeit und künftig, diese Zielsetzung durch veränderte Materialzusammensetzungen, optimierte Formgebung, verbesserte Wärmerückgewinnung, sowie durch Nutzung von Reaktorsystemen und Betriebsstrategien ohne oder mit einem weniger stark ausgeprägten Temperaturwechselbetrieb zu erreichen.Two-stage thermochemical redox cycles offer valuable and versatile options for the storage and use of solar energy, which can have a major impact on solar power generation on the one hand and on chemical processes for fuel, chemical and fertilizer production on the other hand. It is essential to understand and to take into account the fundamental redox properties of metal oxides in order to make substantiated decisions when developing these technologies. For example, it has been found that the non-stoichiometrically reacting redox materials cerium oxide and perovskites have a lower specific storage capacity compared to simple oxides (e.g. zinc oxide or iron oxide), which undergo a phase change during reduction. The former make up for the disadvantage with their cycling stability and by avoiding insurmountable process control challenges associated with phase changes at high temperatures. In addition, the properties of perovskite materials can be tuned by suitable element combinations to exhibit high redox activity at low temperatures, which is of great advantage in air separation and thermochemical oxygen pumping technologies. The screening of suitable redox materials starts with the numerical analysis of their thermodynamic properties and matching those with the boundary conditions required by the applications. Validation is then carried out using experimental methods, which are then extended to determine the kinetics of the reaction steps involved and the stability of the material, both of which are further properties that play a decisive role in determining the suitability of a material as a reactive functional material for a thermochemical cycle. Redox materials can only be used in solar chemistry if they are given a special form so that their function is extended from that of a reactive material to that of a solar absorber material. This is achieved by shaping in two basic directions: firstly, methods were successfully developed to produce porous monolithic structures (monoliths with parallel channel or ceramic foams) from the metal oxide into which the solar radiation can penetrate, and secondly, the material was given a granular form so that it can be conveyed through the focal spot of the concentrated light. In one of these forms, the functional material can be integrated into suitable receiver reactors, which form the heart of a solar chemical system and convert solar energy into chemical energy in order to store it or use it to produce fuels. Such systems have already been developed to prototype and demonstration scale and tested under realistic boundary conditions in solar simulators or on solar tower systems. The results are promising, but so far only around 5 % of the solar energy supply has been converted into fuel due to heat losses in various components of the systems. Techno-economic studies show that thermochemical cycle processes become economically competitive at suitable solar sites if efficiencies of 20 % or more are achieved. Current and future R&D efforts are attempting to achieve this goal through modified material compositions, optimized shaping, improved heat recovery and the use of reactor systems and operating strategies without or at least less pronounced temperature cycling
