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Routing in dezentral gesteuerten, modularen Fördersystemen
No full textDurch die fortschreitende Digitalisierung der industriellen Produktionskette (Industrie
4.0) werden auch neue Anforderungen an industrielle Fördersysteme gestellt. So
müssen diese autonom und flexibel auf Änderungen innerhalb der Produktion reagieren,
zu denen z.B. Layoutänderungen zählen. Bereits existierende Steuerungsalgorithmen
für modulare Fördersysteme können schon heute Konflikte verhindern, zu denen
Kollisionen, Verklemmungen, Livelocks und das Verhungern zählen. Jedoch ist
keiner der existierenden Algorithmen zeitfensterbasiert. Durch einen zeitfensterbasierten
Steuerungsalgorithmus wird es möglich, unmittelbar die wichtigste Zielgröße eines
Fördersystems zu optimieren: Den Durchsatz.
In dieser Arbeit wird ein zeitfensterbasierter Steuerungsalgorithmus für modulare Fördersysteme
vorgestellt. Die Korrektheit des Algorithmus wird bewiesen, seine Laufzeit
bestimmt und das Systemverhalten in einer Simulationsumgebung untersucht
Computergestützte Analysetechnik und individuelle Modellbildung zur optomechanischen Untersuchung laserbehandelter Augenlinsen
No full textVon der Alterssichtigkeit ist jeder Mensch ab ca. 45 Jahren betroffen. Bei einer neuartigen Behandlungsmethode (fs-Lentotomie) wird mit dem Laser versucht der altersbedingten Linsenverhärtung entgegenzuwirken. Bislang fehlen systematische Messdaten, um den Effekt der Behandlung im Kontext der Akkommodation aufzuzeigen.
In dieser Arbeit wird ein Messsystem mit optischer Kohärenztomographie und Raytracing entwickelt und evaluiert. Mit dieser Analysetechnik werden die Geometrie, Topografie und Brechungseigenschaften von Augenlinsen in unterschiedlichen, simulierten Akkommodationszuständen vor und nach der Laserbehandlung vermessen. Die Messdaten werden zur Visualisierung und Weiterverarbeitung in Simulationen des Experiments aufbereitet.
Eine individuelle Optiksimulation erlaubt die Rekonstruktion des Brechungsindexes in der Augenlinse. Anhand der rekonstruierten Linsenkontur wird ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell aufgebaut und die graduelle Steifigkeitsverteilung mit Hilfe der Formänderungen zwischen unterschiedlichen Belastungszuständen berechnet. Auf diese Weise können die Auswirkungen virtuell gesetzter Laserschnitte untersucht werden
Energy Storage Requirement Modeling of Mobile Robots for Intralogistics
No full textIntralogistische Prozesse werden in der Industrie vermehrt mit Hilfe von flexiblen, fahrerlosen Transportsystemen automatisiert. Um ihre Flexibilität hinsichtlich der freien Navigation und einem Minimum an fest installierter Peripherie zu wahren, werden fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) mit Energiespeichersystemen ausgestattet, die einen regelmäßigen Ladeprozess benötigen. Die Flotten werden vermehrt heterogen, welches systemunabhängige Untersuchungen in der Wissenschaft bedarf. Eine Literaturrecherche hat ergeben, dass Materialfluss und Layout einen signifikanten Einfluss auf den Energiebedarf eines FTF haben, welcher sich zugleich auf den Energiespeicherbedarf auswirkt. Weiterhin konnte weder ein Dimensionierungsverfahren für Energiespeichersysteme von FTF, noch ein ganzheitliches Modell identifiziert werden, mit dem der Leistungsbedarf, Energiebedarf, oder Energiespeicherbedarf von FTF im Betrieb bestimmt werden kann.
%2 Ziele und Forschungsfragen
In dieser Arbeit wird untersucht, welche Informationen Materialfluss- und Layoutdaten für energetische Betrachtungen von FTF aufweisen müssen (Forschungsfrage (RQ)~1) und wie der Leistungsbedarf von FTF unter Berücksichtigung von Systemspezifikationen und Materialfluss- und Layoutdaten modelliert werden kann (RQ~2). Weiterhin wird untersucht, wie der Enerigespeicherbedarf für FTF unter Berücksichtigung von Fahrzeugspezifikationen, Materialfluss- und Layoutdaten, Ladeinfrastruktursystemverteilung und Ladestrategie ermittelt werden kann (RQ~3).
%3 Methodik + %4 Ergebnisse
Eine Einflussanalyse hat ergeben, dass die Beschreibung von Materialfluss- und Layoutdaten mit Matrizen ausreichende Informationen zur Untersuchung von Energiebedarfsbetrachtung von FTF beinhalten. Zur Beantwortung der ersten Forschungsfrage wurde weiterhin eine Taxonomie ausgearbeitet, um unterschiedliche Materialfluss- und Layoutdaten klassifizieren zu können, welche mit einem erstellten Datensatz, bestehend aus 72 unterschiedlichen Materialfluss- und Layoutdaten exemplarisch angewandt wurde.
Zur Modellierung des Leistungs- und Energiebedarfs hat die Literaturrecherche zustandsbasierte Ansätze aufgezeigt. Daraufhin wurde ein zustandsbasiertes Modell mit insgesamt zehn unterschiedlichen Zuständen entwickelt, welches mit realen Versuchen von über Betriebsstunden an zwei verschiedenen industriell eingesetzten FTF validiert wurde.
Es wurde gezeigt, dass das Modell den Leistungsbedarf von FTF zu ca. genau modellieren kann.
Abschließend wurde ein Modell zur Ermittlung des Energiespeicherbedarfs entwickelt. Durch Simulationsdurchläufe von FTF unter Verwendung des Energiebedarfsmodells aus der zweiten Forschungsfrage und der Variation der Materialfluss- und Layoutdaten und der Ladeinfrastruktursystemverteilung wurde das Modell validiert. Der Energiespeicherbedarf von FTF für den kapazitiven Betrieb kann im Mittel zu genau und für den Taktbetrieb im Mittel mit genau ermittelt werden.
%5 Beitrag für Wissenschaft und Industrie
Zusammenfassend erlaubt die vorgelegte Arbeit der Wissenschaft und den Anwendern, den Leistungs-, Energie- und Energiespeicherbedarf von fahrerlosen Transportsystemen hinreichend genau zu ermitteln. Damit ist eine Grundlage geschaffen, Optimierungsverfahren bezüglich des Energiebedarfs zu untersuchen. Praktiker können mit Hilfe der beschriebenen Methoden effizientere Energiespeichersysteme entwickeln und dimensionieren
Suitability of process chains for generating hydrophilic, wear resistant LIPSS-structured surfaces
No full textDas wachsende Bewusstsein für Umweltfragen führt zu immer größeren Anstrengungen, neue, umweltfreundliche tribologische Systeme für die Blechumformung zu entwickeln. Mit der Identifizierung einer geeigneten Prozesskette zur Erzeugung hydrophiler, verschleißbeständiger LIPSS-strukturierter Oberflächen für den Kontakt gegen Stahl wurde im Rahmen dieser Arbeit das übergeordnete Ziel verfolgt, deionisiertes Wasser als Alternative zu konventionellen Schmierstoffen in der Umformung möglich erscheinen zu lassen. Die Ergebnisse dieser Arbeit aus Sessile-Drop-Tests, Stift-Platte-Tests und Streifenziehversuchen ohne Umlenkung belegen zwar das hohe Potential von Strukturbeschichtungsvarianten aus LIPSS und Titannitrid, nach derzeitigem Kenntnisstand reicht jedoch dies nicht aus, um deionisiertes Wasser in der Blechumformung, beispielsweise beim Tiefziehen, als Alternative zu konventionellem Schmierstoff möglich erscheinen zu lassen
Optical coherence tomography for process monitoring in laser welding of copper – Feature engineering and its application for quality analysis
Full text linkWeld imperfections like spatters can occur as process output and should be omitted to avoid scrap in the production line. Online quality monitoring can be applied to identify scrap in an early stage of the manufacturing process to reduce costs for the manufacturer. Process monitoring technologies like OCT measure geometrical properties during the laser welding process to identify weld inhomogeneities. Data processing is crucial to enable conclusions from acquired data on weld inhomogeneities and underlying process physics. Feature extraction and selection with a feature engineering tool like tsfresh enables the identification of significant features for the classification of welding results based on surface topographical information from the post-process monitoring stage. Identified features can be used to draw conclusions on the laser welding process like the resulting humping frequency. In the in-process monitoring stage, laterally scanned OCT measurement beams to the welding direction can be used for weld depth measurements and estimations of the welding stability. As a result, the given findings qualify OCT measurement technology for potential use in industrial applications.Schweißnahtfehler, wie z. B. Spritzer, können als Prozessresultat auftreten und sollten vermieden werden, um Ausschuss in der Produktionslinie zu vermeiden. Die Online-Qualitätsüberwachung kann eingesetzt werden, um Ausschuss in einem frühen Stadium des Fertigungsprozesses zu erkennen und die Kosten für den Hersteller zu senken. Prozessüberwachungstechnologien wie OCT messen geometrische Eigenschaften während des Laserschweißprozesses, um Inhomogenitäten in der Schweißnaht zu erkennen. Die Datenverarbeitung ist entscheidend, um aus den gewonnenen Daten Rückschlüsse auf die Inhomogenitäten der Schweißnaht und die zugrunde liegende Prozessphysik zu ziehen. Die Extraktion und Auswahl von Merkmalen mit einem Feature-Engineering-Tool wie tsfresh ermöglicht die Identifizierung signifikanter Merkmale für die Klassifizierung von Schweißergebnissen auf der Grundlage der topografischen Informationen der Oberfläche aus der Post-Process Überwachung. Aus den identifizierten Merkmalen können Rückschlüsse auf den Laserschweißprozess gezogen werden, z.B. auf die resultierende Humping-Frequenz. In der In-Process Überwachung können lateral zur Schweißrichtung gescannte OCT-Messstrahlen für Einschweißtiefenmessungen und Abschätzungen der Schweißstabilität genutzt werden. Im Ergebnis qualifizieren die vorliegenden Erkenntnisse die OCT-Messtechnik für den möglichen Einsatz in der industriellen Anwendung
Erweiterung des Einsatzgebiets von MSG-Fügeprozessen durch Prozessstabilisierung mittels Laserstrahlung
No full textThe Gas Metal Arc Welding process (GMAW) is a highly productive process that can be used for joining a wide range of materials and sheet thicknesses due to its gap-bridging capability using its various process variants with different power output ranges. To ensure the economic efficiency of the GMAW-process, it can also be combined with other processes or auxiliary measures. Even laser radiation of low power and thus lower acquisition costs can influence an arc process, for example in its behaviour or the resulting weld. So far, only a few GMAW-process variants have been studied, meaning that the possibilities and limits of laser stabilization are not completely known. Therefore, in this thesis the laser stabilization at different GMAW-processes like the short arc, pulsed arc, spray arc and the electronically controlled short arc is investigated. One focus is the identification of the interactions between laser beam and gas metal arc as well as the resulting process behaviour and seam formation. For this purpose, the electrical signal behaviour as well as the arc and droplet transfer are analysed. Also, the different arrangement possibilities, conditions and settings of both the GMAW-process and the laser beam process are considered. The laser-stabilized GMAW-process, which uses relatively low laser beam power and intensity, is robust in handling and, especially in combination with the short arc, leads to a significant increase in deposition rates and welding speeds on joint welds. At the same time, the concept of laser stabilization can also be transferred to GMA-Brazing of steel sheets and used with metal powder filler wire electrodes. However, depending on the selected settings and materials, the additional laser beam can also have a destabilizing effect on the GMAW-process. In addition to a stabilizing effect, which can also be achieved in part by other arc parameters or process variants, the laser beam can also be used for guiding the molten pool, removing pores when joining galvanized steel sheets and changing the seam geometry, even at high welding speeds
Prozessstrategien zur Vermeidung von Heißrissen beim Schweißen von Aluminium mit pulsmodulierbaren Laserstrahlquellen
Full text linkDas gepulste Laserstrahlschweißen ermöglicht die Vermeidung der Heißrissbildung beim Schweißen von 6xxx Aluminilegierungen ohne den Einsatz eines Schweißzusatzwerkstoffes. Im Rahmen der Arbeit wurden die Mechanismen und physikalischen Ursachen der Heißrissbildung beim gepulsten Laserstrahlschweißen untersucht und zusammenhängend beschrieben. Dafür wurde ein transientes thermomechanisches Simulationsmodell zur Abbildung des gepulsten Laserstrahlschweißprozesses mit zeitlich veränderlichem Pulsleistungsverlauf aufgebaut und experimentell validiert. Die zeit- und ortsaufgelöste Berechnung des gesamten Spannungs‑, Dehnungs- und Temperaturfeldes ermöglichte die Quantifizierung der wesentlichen Erstarrungsparameter an der Phasenfront zu jedem Zeitpunkt während Schmelzbadkristallisation. Die experimentellen Untersuchungen erfolgten repräsentativ an der industriell etablierten, aber heißrissanfälligen Legierung EN AW 6082-T6. Die grundlegenden experimentellen Untersuchungen wurden zunächst an modellhaften Einzelpunktschweißungen ausgeführt. Innerhalb der experimentellen Untersuchungen wurden drei Regime identifiziert, die sich in Abhängigkeit der Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzbades ergeben und in denen unterschiedliche Mechanismen die Entstehung von Heißrissen dominieren. Wohingegen die Rissbildung bei hohen Erstarrungsgeschwindigkeiten auf die Dehnrate, die geringe Permeabilität des interdendritischen Netzwerks und die große Nachspeisedistanz zurückgeführt werden konnte, wurde bei langsamen Erstarrungsgeschwindigkeiten die Seigerung niedrigschmelzender Phasen an der Erstarrungsfront als Rissursache identifiziert. Punktüberlappende Nahtschweißungen sind durch das Umschmelzen rissbehafteter Bereiche des vorherigen Schweißpunktes weniger sensibel für die Bildung von Heißrissen als Punktschweißen. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden aus den prozesstechnischen und physikalischen Ursachen für die Prozessgrenzen Strategien zur Erweiterung abgeleitet, entwickelt und umgesetzt. Hierfür wurde das gepulste Laserstrahlschweißen mit räumlich überlagerter cw-Diodenlaserstrahlung im niedrigen Leistungsbereich untersucht. Mit dem entwickelten Prozessansatz können heißrissfreie Schweißnähte auch mit konventionellen Rechteckpulsen erzeugt werden. Darüber hinaus wird einerseits die Einschweißtiefe signifikant gesteigert. Anderseits wird durch die geringe Leistungszugabe des Diodenlasers die Schweißgeschwindigkeit um den Faktor 4 gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik erhöht.Pulsed laser welding enables crack free welding of heat treatable aluminum alloys (6xxx) without using an additional filler wire. In this work, hot cracking mechanisms during pulsed laser beam welding were investigated and coherently described. Therefore, a transient thermomechanical simulation model with a non-uniform heat flux was build up and experimentally validated. The time and spatial dependent outcome of the stress, strain, and temperature field enables the quantification of the solidification parameters at the phase front at any time during melt pool solidification. To address many industrial applications, aluminum (EN AW 6082) was used for the experimental investigations. The experimental studies were initially carried out on individual spot welds. Within the experimental investigations, three regimes of solidification cracking susceptibility have been identified. It was found that the formation of hot cracks is directly related to the solidification rate. At high solidification rates, hot cracking could be attributed to the high strain rate, the dendritic network's low permeability, and the long feeding distance of liquid. At low solidification rates, low melting eutectic formation within the interdendritic structure causes a reappearance of hot cracking. Seam welding with overlapping spot welds is less sensitive to the formation of hot cracks than spot welding due to the remelting of the previous weld spot's cracked areas. Based on the results, an alternative process was derived, developed, and implemented. In this case, the pulsed laser beam welding process with spatially superimposed cw-diode laser radiation was investigated. The temporal and spatial arrangement of the pulsed Nd:YAG laser with cw-diode laser allows the crack-free welding of heat treatable aluminum alloys using a conventional rectangular pulse shape. Furthermore, the penetration depth, as well as the welding speed, could be increased by superimposing both laser beams.Beim gepulsten Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen hat sich im industriellen Umfeld die zeitliche Formung der Laserpulse als ein adäquates Werkzeug zur Unterdrückung von Heißrissen erwiesen. Dabei wird die Leistung im Laserpuls meistens linear über einen definierten Zeitraum abgesenkt, um die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze zu verringern. Im Rahmen der Arbeit wurden die Mechanismen und physikalischen Ursachen der Heißrissbildung untersucht und zusammenhängend beschrieben. Dafür wurde ein transientes thermomechanisches Simulationsmodell des gepulsten Laserstrahlschweißprozesses mit zeitlich veränderlichem Pulsleistungsverlauf aufgebaut und experimentell validiert. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden aus den prozesstechnischen und physikalischen Ursachen für die Prozessgrenzen Strategien zur Erweiterung abgeleitet, entwickelt und umgesetzt. Hierfür wurde das gepulste Laserstrahlschweißen mit räumlich überlagerter cw-Diodenlaserstrahlung im niedrigen Leistungsbereich untersucht. Mit dem entwickelten Prozessansatz können heißrissfreie Schweißnähte auch mit konventionellen Rechteckpulsen erzeugt werden
Modelling complex measurement processes using symbolic regression for the determination of measurement uncertainty
No full textDie Kenntnis und die Bestimmung der Messunsicherheit eines Messprozesses stellt einen elementaren Bestandteil der Fertigungsmesstechnik dar. Nur mittels quantifizierter Messunsicherheit kann die Eignung von Messsystemen bestimmt und das Risiko von Fehlentscheidungen (bspw. in der Konformitätsprüfung von Produkten) angegeben werden. Grobe Abschätzungen der Messunsicherheit zur sicheren Seite führen dazu, dass Spezifikationsgrenzen häufig unnötig stark eingeschränkt werden und so steigende Produktionskosten verursachen. Gleichzeitig steigt aufgrund gestiegener Qualitätsanforderungen und wachsender Variantenvielfalt die Komplexität von Messsystemen und damit auch die Bestimmung der Messunsicherheit. Bei der Bestimmung der Messunsicherheit stellt insbesondere die Modellbildung komplexer Messprozesse eine Herausforderung dar. Ziel ist daher die Erforschung der Erstellung eines validen Modells der Messung zur Messunsicherheitsbestimmung komplexer Messprozesse. In der Forschungsarbeit werden zunächst die Einflussgrößen eines Messprozesses als Grundlage der Modellbildung untersucht. Über eine Relevanzbewertung mittels Feature Selection Algorithmen wird sicherhergestellt, dass die ausgewählten Einflussgrößen einen signifikanten Beitrag am funktionellen Zusammenhang haben. Die Integration der Relevanzbewertung ist deshalb von Bedeutung, weil die Integration von irrelevanten Einflussgrößen zu einem Mehraufwand in der Modellbildung als auch in der späteren Quantifizierung der Unsicherheitsbeiträge zur Bestimmung der kombinierten Messunsicherheit führt. Für die Modellbildung selbst, wird die Symbolische Regression näher betrachtet. Untersuchungsgegenstände sind die Integration von Erfahrungswissen, die Reduzierung des Bloating-Effekts sowie die Optimierung der Hyperparameter der Symbolischen Regression. Um die Validität des Modells zu bewerten, ist ein weiteres Verfahren notwendig. Hierbei stellt sich die Herausforderung, dass Versuchsreihen und Modellbildungen bei komplexen Messprozessen sehr aufwändig sind. Dementsprechend kann es vorteilhaft sein, detaillierte Informationen über die Validität des Modells in Teilbereichen des untersuchten Wertebereichs zu erhalten. In der Forschungsarbeit wird ein Regressions-basiertes Verfahren entwickelt, welches die Modellergebnisse mit realen Versuchsergebnissen gegenüberstellt. Über den Abgleich von Konfidenzintervallen kann anschließend eine Aussage darüber getroffen werden, ob das Modell valide, teilweise valide (= valide auf einem bestimmten Teilbereich des Wertebereichs) oder nicht valide ist. Das Ergebnis der Forschungsarbeit ist ein Verfahren zur White Box Modellbildung mittels Symbolischer Regression, welches insbesondere auf die Herausforderungen der Messunsicherheitsbestimmung komplexer Messprozesse ausgelegt ist. Über eine Relevanzbewertung mittels Kombination aus zwei Wrapper-Methoden, können irrelevante Einflussgrößen gefiltert und der Aufwand von Modellbildung und Messunsicherheitsbestimmung reduziert werden. Weiterhin kann die Validität des Modells messbereichsspezifisch über eine Gegenüberstellung von Modell- und Realdaten und einen Abgleich der Konfidenzintervalle ermittelt werden.The knowledge and the determination of the measurement uncertainty of a measurement process represents an elementary component of production metrology. Only with a quantified measurement uncertainty it is possible to determine the suitability of measurement systems and to indicate the risk of wrong decisions (e.g. in the proof of conformity of products). Rough estimates of the measurement uncertainty on the safe side often lead to unnecessary restrictions of specification limits and thus to rising production costs. At the same time, the complexity of measurement systems and thus also the determination of the measurement uncertainty is increasing due to higher quality requirements and a growing number of product variants. In determining the measurement uncertainty, the modelling of complex measurement processes in particular poses challenges. Therefore, the aim is to investigate the creation of a valid model of the measurement for the determination of the measurement uncertainty of complex measurement processes. In the research work, the influencing variables of a measurement process are first investigated as a basis for the modelling. A relevance evaluation with feature selection algorithms ensures that the selected influencing variables have a significant contribution to the functional relationship. The integration of the relevance assessment is important, because the integration of irrelevant influence quantities leads to an additional effort in the model building as well as in the later quantification of the uncertainty contributions for the determination of the combined measurement uncertainty. For the modelling itself, the symbolic regression is considered in more detail. Objects of investigation are the integration of prior knowledge, the reduction of the bloating effect as well as the optimization of the hyperparameters of the symbolic regression. In order to evaluate the validity of the model, a further procedure is necessary. The challenge here is that experiments and the model building are very time-consuming for complex measurement processes. Accordingly, it can be advantageous to obtain detailed information about the validity of the model in parts of the investigated value range. In the research work, a regression-based procedure is developed, which compares the model results with real experimental results. By comparing confidence intervals, a statement can then be made as to whether the model is valid, partially valid (= valid for a certain sub-range of the value range) or not valid. The result of the research work is a procedure for white box modelling using symbolic regression, which is especially designed for the challenge of determining the measurement uncertainty of complex measurement processes. Using a relevance evaluation with a combination of two wrapper methods, irrelevant influencing variables can be filtered out and the effort of model building and measurement uncertainty determination can be reduced. Furthermore, the validity of the model can be determined specifically for the measurement range by comparing model and real data and comparing the confidence intervals
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