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Diese Arbeit stellt die Entwicklung eines modularen, leistungsstarken Laserbeleuchtungssystems für Time-of-Flight (ToF)-Kameras vor, das bestehende Beleuchtungslösungen ersetzen soll. Durch die Erhöhung der optischen Ausgangsleistung und die Verkürzung der Anstiegszeiten wird die Leistungsfähigkeit einer modernen ToF-Kamera signifikant verbessert. Im Vergleich zu einer Referenzbeleuchtung konnte die Gesamtleistung verfünffacht werden. Die notwendigen Schritte zur Erreichung einer optischen Spitzenleistung von 10 W je Lichtquelle bei Modulationsfrequenzen bis zu 100 MHz werden beschrieben, was zu einer 1,2-fach höheren Leistung pro Lichtquelle im Vergleich zur Referenz führt. Die neue Beleuchtung ermöglicht zudem den Einsatz höherer Modulationsfrequenzen. An einem diffusen, weißen Referenztarget getestet, sank das Entfernungsrauschen bei 3 Metern von über 35 mm bei der Referenzbeleuchtung auf unter 5 mm bei der neuen Beleuchtung. Durch das elektronische Zuschalten von bis zu vier Lichtquellen wird eine optische Spitzenleistung von 40 W bei einer Wellenlänge von 940 nm und einer Modulationsfrequenz von 100 MHz erreicht. Das individuelle Zuschalten der Lichtquellen bietet zukünftig die Möglichkeit, durch kombinierte Distanzmessverfahren die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die Entwicklung erfolgte in zwei Iterationen, wobei Voruntersuchungen Optimierungspunkte identifizierten. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde die Beleuchtungsplatine weiterentwickelt und der Einfluss auf das Phasenrauschen einer ToF-Kamera untersucht. Die erzielten Ergebnisse wurden mit den theoretischen Vorhersagen der Tiefenreproduzierbarkeit basierend auf dem Signal-Rausch-Verhältnis des empfangenen Signals verglichen. Die Ergebnisse bestätigten die theoretischen Vorhersagen und zeigten, in welchen Betriebssituationen das Tiefenrauschen vom Sensor- oder vom aktiven Schrotrauschen dominiert wird. Ferner wurden Untersuchungen zur optischen Signalform der Lichtquellen und zum Einfluss unterschiedlicher Einschaltpunkte durchgeführt. Die geforderten optischen Anstiegs- und Abfallzeiten von 2 ns wurden unabhängig von der Modulationsfrequenz erreicht. Die optischen Signale der jeweiligen Lichtquellen überschritten die im Lastenheft geforderte maximale Asynchronität von 200 ps. Untersuchungen der elektrischen Signale zeigten, dass Verzögerungen durch den verwendeten Lasertreiber entstehen. Durch die unterschiedlichen Einschaltpunkte verringerte sich der Modulationskontrast auf 91%.

In diesem Lehrbuch werden die für Ingenieurinnen und Ingenieure relevanten mathematischen Problemklassen eingeführt und dazu vorhandene Standardalgorithmen vorgestellt. Anhand vielfältiger konkreter Beispiele werden Prinzipien der Modellbildung praktisch angewendet, Implementierungen demonstriert und Simulationsergebnisse dargestellt. Dafür werden sowohl der Industriestandard MATLAB wie auch die recht junge und schnell wachsende Programmiersprache Julia verwendet. Mit Hilfe beider Implementierungen kann der oder die Leser:in sehr einfach die Gemeinsamkeiten und Unterschiede erkennen und ist für einen Umstieg vom kommerziellen Produkt MATLAB auf die freie Sprache Julia oder umgekehrt gut vorbereitet.

Interdisciplinary research (IDR) is a widely applied research approach, combing the efforts of multiple academic disciplines to work on complex problems. Within transdisciplinary research (TDR), non-academic stakeholders participate in the project and offer hands-on experience to the research. These integrative approaches are praised for the ability for addressing ‘wicked problems’ and can lead to new perspectives on relevant contemporary challenges. This working paper is analysing the cooperation and exchange of involved disciplines in the German-Ghanaian interdisciplinary research project Energy-Self-Sufficiency for Health Facilities in Ghana (EnerSHelF). The results are presented in a Collaboration Frequency Network (CFN) as well as qualitatively examined to unravel the level of interaction and perspectives on chances and challenges of IDR and TDR. The analysis shows that disciplinary closeness, data collection and exchange, and individual effort are affecting the level of collaboration among other reasons. Concluding the authors develop recommendations for future IDR and TDR projects.

Process-induced changes in thermo-mechanical viscoelastic properties and the corresponding morphology of biodegradable polybutylene adipate terephthalate (PBAT) and polylactic acid (PLA) blown film blends modified with four multifunctional chain-extending cross-linkers (CECL) were investigated. The introduction of CECL modified the properties of the reference PBAT/PLA blend significantly. The thermal analysis showed that the chemical reactions were incomplete after compounding, and that film blowing extended them. SEM investigations of the fracture surfaces of blown extrusion films reveal the significant effect of CECL on the morphology formed during the processing. The anisotropic morphology introduced during film blowing proved to affect the degradation processes as well. Furthermore, the reactions of CECL with PBAT/PLA induced by the processing depend on the deformation directions. The blow-up ratio parameter was altered to investigate further process-induced changes proving synergy with mechanical and morphological features. Using blown film extrusion, the elongational behavior represents a very important characteristic. However, its evaluation may be quite often problematic, but with the SER Universal Testing Platform it was possible to determine changes in the duration of time intervals corresponding to the rupture of elongated samples.

The lattice Boltzmann method (LBM) stands apart from conventional macroscopic approaches due to its low numerical dissipation and reduced computational cost, attributed to a simple streaming and local collision step. While this property makes the method particularly attractive for applications such as direct noise computation, it also renders the method highly susceptible to instabilities. A vast body of literature exists on stability-enhancing techniques, which can be categorized into selective filtering, regularized LBM, and multi-relaxation time (MRT) models. Although each technique bolsters stability by adding numerical dissipation, they act on different modes. Consequently, there is not a universal scheme optimally suited for a wide range of different flows. The reason for this lies in the static nature of these methods; they cannot adapt to local or global flow features. Still, adaptive filtering using a shear sensor constitutes an exception to this. For this reason, we developed a novel collision operator that uses space- and time-variant collision rates associated with the bulk viscosity. These rates are optimized by a physically informed neural net. In this study, the training data consists of a time series of different instances of a 2D barotropic vortex solution, obtained from a high-order Navier–Stokes solver that embodies desirable numerical features. For this specific text case our results demonstrate that the relaxation times adapt to the local flow and show a dependence on the velocity field. Furthermore, the novel collision operator demonstrates a better stability-to-precision ratio and outperforms conventional techniques that use an empirical constant for the bulk viscosity.

The transport of carbon dioxide through pipelines is one of the important components of Carbon dioxide Capture and Storage (CCS) systems that are currently being developed. If high flow rates are desired a transportation in the liquid or supercritical phase is to be preferred. For technical reasons, the transport must stay in that phase, without transitioning to the gaseous state. In this paper, a numerical simulation of the stationary process of carbon dioxide transport with impurities and phase transitions is considered. We use the Homogeneous Equilibrium Model (HEM) and the GERG-2008 thermodynamic equation of state to describe the transport parameters. The algorithms used allow to solve scenarios of carbon dioxide transport in the liquid or supercritical phase, with the detection of approaching the phase transition region. Convergence of the solution algorithms is analyzed in connection with fast and abrupt changes of the equation of state and the enthalpy function in the region of phase transitions.

A Fourier scatterometry setup is evaluated to recover the key parameters of optical phase gratings. Based on these parameters, systematic errors in the printing process of two photon polymerization (TPP) gray-scale lithography 3d printers can be compensated, namely tilt and curvature deviations. The proposed setup is significantly cheaper than a confocal microscope, which is usually used to determine calibrations parameters for compensation of the TPP printing process. The grating parameters recovered this way are compared to those obtained with a confocal microscope. A clear correlation between confocal and scatterometric measurements is first shown for structures containing either tilt or curvature. The correlation is also shown for structures containing a mixture of tilt and curvature errors (squared Pearson coefficient $r^2$ = 0.92). This new compensation method is demonstrated on a TPP printer: A diffractive optical element (DOE) printed with correction parameters obtained from Fourier scatterometry shows a significant reduction in noise as compared to the uncompensated system. This verifies the successful reduction of tilt and curvature errors. Further improvements of the method are proposed, which may enable the measurements to become more precise than confocal measurements in the future, since scatterometry is not affected by the diffraction limit.

This paper presents a novel approach to address noise, vibration, and harshness (NVH) issues in electrically assisted bicycles (e-bikes) caused by the drive unit. By investigating and optimising the structural dynamics during early product development, NVH can decisively be improved and valuable resources can be saved, emphasising its significance for enhancing riding performance. The paper offers a comprehensive analysis of the e-bike drive unit’s mechanical interactions among relevant components, culminating—to the best of our knowledge—in the development of the first high-fidelity model of an entire e-bike drive unit. The proposed model uses the principles of elastic multi body dynamics (eMBD) to elucidate the structural dynamics in dynamic-transient calculations. Comparing power spectra between measured and simulated motion variables validates the chosen model assumptions. The measurements of physical samples utilise accelerometers, contactless laser Doppler vibrometry (LDV) and various test arrangements, which are replicated in simulations and provide accessibility to measure vibrations onto rotating shafts and stationary structures. In summary, this integrated system-level approach can serve as a viable starting point for comprehending and managing the NVH behaviour of e-bikes.

In dieser Arbeit wird eine kompressible Semi-Lagrangesche Lattice-Boltzmann-Methode neu entwickelt und erprobt. Die Lattice-Boltzmann-Methode ist ein Verfahren zur numerischen Strömungssimulation, das auf einer Modellierung von Partikeldichten und deren Interaktion untereinander basiert. In ihrer Ursprungsform ist die Methode jedoch auf schwach kompressible Strömungen mit niedriger Machzahl beschränkt. Wesentliche Nachteile der bisherigen Versuche zur Erweiterung auf supersonische Strömungen sind entweder mangelhafte Stabilität der Verfahren, unpraktikabel große Geschwindigkeitssätze oder die Beschränktheit auf kleine Zeitschrittweiten. Als Alternative zu bisherigen Ansätzen wird in dieser Arbeit ein Semi-Lagrangescher Strömungsschritt eingesetzt. Semi-Lagrangesche Verfahren entkoppeln mittels Interpolation die Orts-, Zeit- und Geschwindigkeitsdiskretisierung der ursprünglichen Lattice-Boltzmann-Methode. Nach der Einleitung wird im zweiten und dritten Kapitel dieser Arbeit zunächst auf die Grundlagen und Prinzipien der Lattice-Boltzmann-Methode eingegangen sowie bisherige Ansätze zur Simulation kompressibler Strömungen aufgeführt. Im Anschluss wird die kompressible Semi-Lagrangesche Lattice-Boltzmann-Methode entwickelt und beschrieben. Die Erweiterung erfolgt im Wesentlichen durch die Verknüpfung der Methode mit geeigneten Gleichgewichtsfunktionen und Geschwindigkeitssätzen. Im vierten Kapitel der Arbeit werden neue Kubatur-basierte Geschwindigkeitssätze entwickelt und getestet, darunter ein D3Q45-Geschwindigkeitssatz zur Berechnung kompressibler Strömungen, der den Rechenaufwand gegenüber konventionellen Geschwindigkeitsdiskretisierungen erheblich verringert. Im fünften Kapitel der Arbeit werden zur Validierung Simulationen von eindimensionalen Stoßrohren, zweidimensionalen Riemann-Problemen und Stoß-Wirbel-Interaktionen durchgeführt. Im Anschluss zeigen Simulationen von dreidimensionalen, kompressiblen Taylor-Green-Wirbeln sowie von wandgebundenen Testfällen die Vorteile der Methode für kompressible Strömungssimulationen. Zu diesem Zweck werden die Überschallströmung um ein zweidimensionales NACA-0012-Profil und um eine dreidimensionale Kugel sowie eine supersonische Kanalströmung untersucht. Dem Simulationsteil folgt eine umfangreiche Diskussion der Semi-Lagrangeschen Lattice-Boltzmann-Methode im Vergleich zu anderen Methoden. Die Vorteile der Methode, wie vergleichsweise große Zeitschrittweiten, körperangepasste Netze und die Stabilität der Methode, werden hier herausgearbeitet.

Heutzutage werden alternative Mobilitätslösungen immer wichtiger. Dabei haben eBikes ihr Potential längst unter Beweis gestellt. Der zugehörige Markt ist über die letzten 10 Jahre enorm gewachsen und gleichermaßen auch die Erwartungen an das Produkt, wie bspw. eine Fahrt ohne störende Vibrationen und Geräusche zu haben. Der Motorfreilauf leistet dabei einen maßgeblichen Einfluss auf das dynamische Verhalten. In diesem Beitrag soll daher eine methodische Vorgehensweise vorgestellt werden, um mittels Versuch und Simulation den Einfluss des Motorfeilaufs auf das dynamische Verhalten der eBike Antriebseinheit zu bestimmen.

Stably stratified Taylor–Green vortex simulations are performed by lattice Boltzmann methods (LBM) and compared to other recent works using Navier–Stokes solvers. The density variation is modeled with a separate distribution function in addition to the particle distribution function modeling the flow physics. Different stencils, forcing schemes, and collision models are tested and assessed. The overall agreement of the lattice Boltzmann solutions with reference solutions from other works is very good, even when no explicit subgrid model is used, but the quality depends on the LBM setup. Although the LBM forcing scheme is not decisive for the quality of the solution, the choice of the collision model and of the stencil are crucial for adequate solutions in underresolved conditions. The LBM simulations confirm the suppression of vertical flow motion for decreasing initial Froude numbers. To gain further insight into buoyancy effects, energy decay, dissipation rates, and flux coefficients are evaluated using the LBM model for various Froude numbers.

In this paper, modeling of piston and generic type gas compressors for a globally convergent algorithm for solving stationary gas transport problems is carried out. A theoretical analysis of the simulation stability, its practical implementation and verification of convergence on a realistic gas network have been carried out. The relevance of the paper for the topics of the conference is defined by a significance of gas transport networks as an advanced application of simulation and modeling, including the development of novel mathematical and numerical algorithms and methods.

Alkaline methanol oxidation is an important electrochemical process in the design of efficient fuel cells. Typically, a system of ordinary differential equations is used to model the kinetics of this process. The fitting of the parameters of the underlying mathematical model is performed on the basis of different types of experiments, characterizing the fuel cell. In this paper, we describe generic methods for creation of a mathematical model of electrochemical kinetics from a given reaction network, as well as for identification of parameters of this model. We also describe methods for model reduction, based on a combination of steady-state and dynamical descriptions of the process. The methods are tested on a range of experiments, including different concentrations of the reagents and different voltage range.

Selbstfahrende Arbeitsmaschinen für den Einsatz auf dem Boden der Tiefsee von beispielsweise 6000 m Tiefe existieren derzeit noch nicht. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen wird das Problem des Antreibens und Steuerns schwerpunktmäßig mit dem Ziel behandelt, die Grundlagen für weiterführende Entwicklungen eines elektrohydraulischen Fahr- und Lenkantriebes zu schaffen. Hierzu wird ein Versuchsaggregat unter einem Umgebungsdruck von 60 MPa (600 bar) im Tiefsee-Simulator getestet. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sind bei der konstruktiven Weiterentwicklung solcher Antriebe übertragbar.

Die Untersuchungen zum vorliegenden Beitrag wurden im Rahmen des deutsch-französischen Gemeinschaftsprojektes "Entwicklung von Manganknollenabbau- und Gewinnungsverfahren" durchgeführt. Auf deutscher Seite waren die Unternehmen PREUSSAG AG, Abteilung Meerestechnik in Hannover, die Versuchsanstalt für Wasser- und Schiffbau in Berlin, das Institut für Förderwesen der TH Karlsruhe, das Institut für Strömungsmechanik der Universität GH Paderborn und das Institut für Konstruktion der Universität GH Siegen beteiligt. Im zuletzt genannten Institut wurden elektrohydraulische Antriebe für Versuchsprototypen von geschleppten Manganknollenkollektoren und deren Steuerungen ausgelegt und auf ihre Einsatzfähigkeit im Tiefsee-Simulator getestet.

Die Erfindung befasst sich mit einer Sicherheitsvorrichtung zur Verhinderung von Unfällen mit Personenschäden durch Maschinen, die ein Flächenelement enthält, welches auf der Oberfläche des Bereichs des Roboters, innerhalb dessen ein Unfall verhindert werden soll, durch ein Gelenk beweglich angeordnet ist. Des Weiteren weist die Sicherheitsvorrichtung Sensoren auf, die unter dem Flächenelement angeordnet sind und die Verkippung des Flächenelements erfassen.

Der vorliegende Beitrag befaßt sich mit Automatisierungsmöglichkeiten in Textilbetrieben für konventionelle als auch für nichtkonventionelle Spinnverfahren. Aus der Vielzahl derzeit existenter Produktionsschritte werden die standardisierbaren Automatisierungskombinationen zwischen den eingesetzten Textilmaschinen von Kar­den bis zu Spinnautomaten herausgearbeitet. Hierfür werden die heute in der Praxis befindlichen Transportmittel aufgezeigt und, vom Materialfluß ausgehend, die Zuordnungsmöglichkeiten der Maschinen in den Produktionsschritten und deren Automatisierungsbausteine definiert. Durch eine ganzheitliche Betrachtungsweise werden je nach Automatisierungsziel die verschiedenen Lösungsansätze diskutiert und als Bausteine gegenübergestellt. Hierdurch werden neue mechatronische Automatisierungslösungen vorgestellt, die eine Integration von Produktionsschritten oder die Au­tomatisierung zwischen den einzelnen Produktionsschritten ermöglicht.