620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
Force field (FF) based molecular modeling is an often used method to investigate and study structural and dynamic properties of (bio-)chemical substances and systems. When such a system is modeled or refined, the force field parameters need to be adjusted. This force field parameter optimization can be a tedious task and is always a trade-off in terms of errors regarding the targeted properties. To better control the balance of various properties’ errors, in this study we introduce weighting factors for the optimization objectives. Different weighting strategies are compared to fine-tune the balance between bulk-phase density and relative conformational energies (RCE), using n-octane as a representative system. Additionally, a non-linear projection of the individual property-specific parts of the optimized loss function is deployed to further improve the balance between them. The results show that the overall error is reduced. One interesting outcome is a large variety in the resulting optimized force field parameters (FFParams) and corresponding errors, suggesting that the optimization landscape is multi-modal and very dependent on the weighting factor setup. We conclude that adjusting the weighting factors can be a very important feature to lower the overall error in the FF optimization procedure, giving researchers the possibility to fine-tune their FFs.
Mobiles Laser-Schneidsystem zur Unterstützung der USBV-Entschärfung und Beweissicherung (mobiLaS)
(2022)
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.
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.
In dieser Arbeit wird im Rahmen von FFE+, einem internen Projekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, eine entscheidungsbasierte Fertigungsstrategie für die Herstellung einer Mikrogasturbinenblisk aus oxidkeramischem Faserverbundwerkstoff entwickelt. Hierfür soll das vakuumbasierte Infusionsverfahren der Abteilung Struktur- und Funktionskeramik des Instituts für Werksstoffforschung verwendet werden. Zunächst wird der theoretische Hintergrund des Materials und die davon etablierte Verarbeitung betrachtet. Aus Basis dieser Grundlage können das System und Funktionen der oxidkeramischen Blisk im Sinne der methodischen Prozessentwicklung bestimmt werden. Die darin formulierten Anforderungen und Bewertungskriterien lassen eine aufwandsreduzierte Entwurfsphase von Konzepten oder Lösungsprinzipien zu. Hierbei ist die Faserstruktur der maßgeblicher Einflussfaktor in der Lösungsfindung. Nach der Bewertung, Validierung und Anpassung der Ergebnisse wird die Fertigungsstrategie auf dem best-bewerteten Konzept und den bisherigen Projekten der Abteilung entworfen. Zusätzlich ist in dieser Arbeit eine Machbarkeitsstudie am Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart von einem bislang unbekannten Verfahren zur Herstellung oxidkeramischer Faserpreforms durchgeführt worden. Da eine Aussage über die Materialkennwerte für eine sichere Funktionsgewährleistung notwendig ist, sind Materialversuche bei Raum- und Hochtemperatur geplant. Das abschließende Ziel einer Prozessketten-Grundlage von Projekten mit dem vakuumbasierten Infusionsverfahren des Instituts für Werkstoffforschung fasst die Ergebnisse von dieser Arbeit und anderen Erfahrungsberichten zusammen.
Modern engineering relies heavily on utilizing computer technologies. This is especially true for thermoplastic manufacturing, such as blow molding. A crucial milestone for digitalization is the continuous integration of data in unified or interoperable systems. While new simulation technologies are constantly developed, data management standards such as STEP fail at integrating them. On the other hand, industrial standards such as ”VMAP” manage to improve interoperability for Small and Medium-sized Enterprises. However, they do not provide Simulation Process and Data Management (SPDM) technologies. For SPDM integration of VMAP data, Ontology-Based Data Access is used to allow continuing the digital thread in custom semantic-based open-source solutions. An ontology of the database format (VMAP) was generated alongside an expandable knowledge graph of data access methods. A Python-based software architecture was developed, automatically using the semantic representations of database format and data access to query data and metadata within the VMAP file. The result is a software architecture template that can be adapted for other data standards and integrated into semantic data management systems. It allows semantic queries on simulation data down to element-wise resolution without integrating the whole model information. The architecture can instantiate a file in a knowledge graph, query a file’s metadatum and, in case it is not yet available, find a semantically represented process that allows the creation and instantiation of the required metadatum. See Figure 1. The results of this thesis can be expected to form a basis for semantic SPDM tools.
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.
In this paper, the electrochemical alkaline methanol oxidation process, which is relevant for the design of efficient fuel cells, is considered. An algorithm for reconstructing the reaction constants for this process from the experimentally measured polarization curve is presented. The approach combines statistical and principal component analysis and determination of the trust region for a linearized model. It is shown that this experiment does not allow one to determine accurately the reaction constants, but only some of their linear combinations. The possibilities of extending the method to additional experiments, including dynamic cyclic voltammetry and variations in the concentration of the main reagents, are discussed.
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.
The general method of topological reduction for the network problems is presented on example of gas transport networks. The method is based on a contraction of series, parallel and tree-like subgraphs for the element equations of quadratic, power law and general monotone dependencies. The method allows to reduce significantly the complexity of the graph and to accelerate the solution procedure for stationary network problems. The method has been tested on a large set of realistic network scenarios. Possible extensions of the method have been described, including triangulated element equations, continuation of the equations at infinity, providing uniqueness of solution, a choice of Newtonian stabilizer for nearly degenerated systems. The method is applicable for various sectors in the field of energetics, including gas networks, water networks, electric networks, as well as for coupling of different sectors.
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.
Entwicklung eines elektrohydraulischen Antriebsaggregats für den Einsatz in 6000 m Meerestiefe
(1986)
Selbstfahrende Arbeitsmaschinen für den Einsatz auf dem Boden der Tiefsee von beispielsweise 6000 Meter Tiefe existieren derzeit noch nicht. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung (BMFT-Förderkennzeichen MTK 0328) wurden die Grundlagen elektrohydraulischer Antriebe für Umgebungsdrücke von 60 MPa geschaffen und in einer Druckkammer erfolgreich getestet. Die dabei erhaltenen Erkenntnisse sind bei der konstruktiven Weiterentwicklung solcher Antriebe übertragbar.