Forschungsbericht 2012 - RWTH Aachen University Library

Transcrição

FORSCHUNGSBERICHT 2012
Forschungs
bericht
2012
FakultÄt für Maschinenwesen
RWth aachen university
Impressum
HERAUSGEBER
Fakultät für Maschinenwesen
RWTH Aachen University
Kackertstraße 9
52072 Aachen
Tel. : +49 241/80 – 95305
Fax.: +49 241/80 – 92144
[email protected]
www.maschinenbau.rwth-aachen.de
DEKANAT
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt (Dekan)
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sabina Jeschke (Prodekanin, Stellvertreterin des Dekans)
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs (Prodekan für Struktur)
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel (Prodekan für Finanzen)
Univ.-Prof. Dr. Ing. Uwe Reisgen (Prodekan für das Studium)
Emma Saad, M.A. (Geschäftsführerin)
REDAKTION, KONZEPTION UND LAYOUT
Alex Levay
[email protected]
DRUCK
· www.polycopy.de · Aachen
REDAKTIONSSCHLUSS
September 2013
BEMERKUNGEN
Alle Daten – mit Ausnahme der Zahlen zu den Drittmittelausgaben aus der Drittmittelverwaltung
– beruhen auf den Angaben der einzelnen Lehrstühle und Institute.
Die Eintragung erfolgt ohne Gewähr.
Zu den einzelnen Einrichtungen sind weitere Angaben im Internet unter
www.maschinenbau.rwth-aachen.de zu finden.
2
Vorwort
Preface
Ich freue mich, Ihnen den Forschungsbericht 2012 der Fakultät für Maschinenwesen vorstellen zu dürfen.
I am content to introduce to you the Research Report 2012 of the Faculty
of Mechanical Engineering.
Die in diesem Bericht präsentierten beispielhaften und bedeutenden Forschungsprojekte der jeweiligen Professuren erlauben auch Außenstehenden einen transparenten Überblick über die erbrachten Forschungsleistungen im Berichtszeitraum. Wir sehen den Forschungsbericht auch als
Anstoß, bei weitergehendem Interesse die Webseiten der Institutionen zu
besuchen, um einen umfassenderen Überblick zu bekommen, oder auch
die entsprechenden dahinterstehenden Personen zu kontaktieren und so
weitere Vernetzungen im Wissenschafts- und Forschungsbereich zu initiieren. Diese Netzwerk bildende Funktion wird ebenfalls durch die Darstellung
der wichtigsten Publikationen unterstrichen, da sie ein insgesamt geschlossenes Bild der Vielfalt und Leistungsfähigkeit unserer Fakultät, das an vielen Beispielen anschaulich belegt wird, erlaubt.
The exemplary and important research projects of the individual professorships described in this report also permit outsiders a transparent
overview on effected research performances during the reporting period.
We consider this report an impetus to visit the institutions’ websites in case
of further interest to gain an extensive insight, or even to contact the respective people to initiate further networks in scientific and research areas.
This network-founding function is emphasized through the display of the
most important publications as well, since it allows for an all in all complete
picture of the diversity and performance of our faculty, which is clearly verified by many examples.
Wichtiges Barometer der Leistungsfähigkeit der Fakultät ist die Darstellung
der Drittmittelausgaben. Hier können wir stolz darauf sein, dass es uns
auch in wirtschaftlich schwierigen Krisenzeiten gelungen ist, ein stetiges
Wachstum des Drittmittelaufkommens verzeichnen zu dürfen.
An important barometer of the faculty’s performance is the illustration of
third-party funds.
Here we can be proud to record a steady growth of third-party funds even
in difficult economic times of crisis.
Insgesamt ermutigen uns die hier präsentierten Ergebnisse der Fakultät
aus Forschung und Entwicklung, zuversichtlich die Herausforderungen der
Zukunft anzunehmen und die RWTH Aachen University auf ihrem Weg zu
einer Integrierten, Interdisziplinären Technischen Universität zu unterstützen.
Altogether, the here presented results from research and
development of the faculty encourage us to confidently
accept the future challenges and to support RWTH Aachen
University on its way to an integrated, interdisciplinary technical university.
Ich wünsche Ihnen viel Spaß bei der Lektüre.
Enjoy reading the report.
Aachen, im September 2013
Univ.-Prof. Dr.-Ing.Robert Schmitt
(Dekan)
3
Inhaltsverzeichnis
Impressum............................................................................................................................................................................................................................... 2
Vorwort des Dekans................................................................................................................................................................................................................ 3
Inhaltsverzeichnis.................................................................................................................................................................................................................... 4
Drittmittel..................................................................................................................................................................................................................................8
Profilbereiche...........................................................................................................................................................................................................................9
Lehr- und Forschungseinrichtungen der Fakultät.................................................................................................................................................................. 10
»»
IRT - Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik.....................................................................................................................................................11
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel
»»
LRST - Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik................................................................................................................................................ 14
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Hans-Josef Allelein
»»
LTT - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik........................................................................................................................................................17
Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow
Model-Based Fuel Design..................................................................................................................................................................................................... 21
Juniorprofessor Dr. rer. nat. Kai Leonhard
»»
IEK-2 - Forschungs- und Lehrgebiet Hochtemperatur-Werkstoffmechanik/Allgemeine Mechanik............................................................................25
RWTH-IAM, Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich Univ.-Prof. Dr.-Ing. Tillmann Beck
»»
CATS - Lehrstuhl für computergestützte Analyse technischer Systeme....................................................................................................................28
Univ.-Prof. Marek Behr, Ph.D.
»»
IOT - Institut für Oberflächentechnik im Maschinenbau............................................................................................................................................ 31
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
»»
WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen.....................................................................................................................34
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher
»»
IWM - Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau.................................................................................................................................... 37
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
»»
AVT - BioVT - Aachener Verfahrenstechnik - Bioverfahrenstechnik..........................................................................................................................40
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jochen Büchs
»»
IGM - Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik....................................................................................................................................... 43
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Burkhard Corves
»»
IFS – Lehrstuhl und Institut für Schienenfahrzeuge und Fördertechnik.................................................................................................................... 46
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Torsten Dellmann
»»
IKA - Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University........................................................................................................................................ 49
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein
»»
IKT - Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus............................................................................................. 53
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen
»»
ITA - Lehrstuhl für Textilmaschinenbau und Institut für Textiltechnik..........................................................................................................................57
Univ.-Prof. Professor h.c.(RU) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Thomas Gries
4
»»
LFK - Lehr- und Forschungsgebiet Kautschuktechnologie...................................................................................................................................... . 61
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Edmund Haberstroh
»»
IKV - Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk.......................................................................................................................... 64
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann
»»
KM - Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik......................................................................................................................................... 68
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Mikhail Itskov
»»
IME - Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung..............................................................................................................................72
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs
»»
IST - Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen..................................................................................................................................... 76
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Jeschke
»»
IMA/ZLW - Lehrstuhl für Informationsmanagement im Maschinenbau......................................................................................................................80
Zentrum für Lern- und Wissensmanagement
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke
»»
WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Produktionsmanagement.............................................................................................................. 84
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker
»»
WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren............................................................................................87
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke
»»
WSA - Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung...................................................................................................................................................90
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Reinhold Kneer
»»
IEK-3 - Elektrochemische Verfahrenstechnik, Modellierung in der Elektrochemischen Verfahrenstechnik.............................................................. 94
Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Werner Lehnert
»»
TOS - Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme................................................................................................................................................ 98
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Peter Loosen
»»
AVT - PT - Aachener Verfahrenstechnik - Prozesstechnik..................................................................................................................................... 102
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Marquardt
AVT - MVT - Multiscale Modeling of Molecular Transformations......................................................................................................................................... 106
Juniorprofessor Dr. Ahmed E. Ismail
»»
AVT.SVT - Aachener Verfahrenstechnik - Systemverfahrenstechnik.......................................................................................................................109
Univ.-Prof. Dr. Alexander Mitsos, Ph.D.
»»
AVT - MVT - Aachener Verfahrenstechnik - Mechanische Verfahrenstechnik........................................................................................................112
Univ.-Prof. Dr.- Ing. Michael Modigell
»»
FSD - Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik...............................................................................................................................................116
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Moormann
»»
IFAS - Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen.................................................................................................................................. 119
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff
»»
E.ON EBC – Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik................................................................................................................................. 123
Energy Research Center
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller
5
»»
LTFD - Lehr- und Forschungsgebiet Laser-Messverfahren in der Thermofluiddynamik..........................................................................................127
N. N.
»»
AVT - TVT - Aachener Verfahrenstechnik - Thermische Verfahrenstechnik............................................................................................................130
N. N.
»»
SWL - Lehr- und Forschungsgebiet Hochtemperatur-Gasdynamik, Stoßwellenlabor..............................................................................................133
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert Olivier
»»
IST - Lehr- und Forschungsgebiet Raumfahrtantriebe, Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen.................................................................136
Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Michael Oschwald
»»
VKA - Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen...................................................................................................................................................139
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger
»»
ITV - Institut für technische Verbrennung................................................................................................................................................................143
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Heinz Günter Pitsch
Physico-Chemical Fundamentals of Combustion................................................................................................................................................................147
Juniorprofessor Dr. rer. nat. Ravi Xavier Fernandes
»»
DLR - Institut für Solarforschung, Lehrstuhl für Solartechnik.................................................................................................................................. 150
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Pitz-Paal
»»
LLT - Lehrstuhl für Lasertechnik..............................................................................................................................................................................153
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A.
»»
mediTEC - Lehrstuhl für Medizintechnik................................................................................................................................................................. 157
Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Radermacher
»»
ILB - Lehrstuhl und Institut für Leichtbau.................................................................................................................................................................160
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hans-Günther Reimerdes
»»
ISF - Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik..................................................................................................................................................164
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen
»»
GRS.ASE - Angewandtes Supercomputing im Maschinenbau................................................................................................................................167
German Research School for Simulation Sciences GmbH
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sabine Roller
»»
IAW - Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft............................................................................................................................................... 170
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Christopher Marc Schlick
»»
WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement....................................................................173
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt
»»
KEmikro - Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen...................................................................................176
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Werner Karl Schomburg
»»
AIA - Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut..........................................................................................................................179
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
»»
WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Produktionssystematik.................................................................................................................182
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Günther Schuh
6
»»
NLD - Lehr- und Forschungsbegiet für Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren................................................................................185
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schulz
»»
AICES – Lehrstuhl für Datengetriebene Modellierung in der Computational Engineering Science.........................................................................188
Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Andres Schuppert
Verfahren höherer Ordnung in der Mehrphasenströmungssimulation................................................................................................................................. 191
Juniorprofessor Georg May, Ph.D
»»
AVT - EPT - Aachener Verfahrenstechnik, Enzymprozesstechnik...........................................................................................................................194
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Antje C. Spieß
»»
IEK-3 - Lehrstuhl für Brennstoffzellen..................................................................................................................................................................... 197 Institut für Energie- und Klimaforschung , Forschungszentrum Jülich
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Stolten
»»
ILR - Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme...................................................................................................................................200
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Eike Stumpf
»»
IAM - Institut für Allgemeine Mechanik.................................................................................................................................................................... 203
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. (UA) Dieter Weichert
»»
AVT - CVT - Aachener Verfahrenstechnik - Chemische Verfahrenstechnik.............................................................................................................206
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling
»»
IBG-1 - Biotechnologie, Systembiotechnologie.......................................................................................................................................................210
Institut für Bio- und Geowissenschaften, Forschungszentrum Jülich
Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Wolfgang Wiechert
»»
IKDG - Lehrstuhl und Institut für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen........................................................................................................213
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Wirsum
7
Drittmittel
Drittmittel sind eine tragende Säule bei der Finanzierung
der innovativen Forschungsaktivitäten. Aufgrund der erfolgreichen Kooperationen mit Industrieunternehmen und durch die zunehmende Förderung durch Bund und Länder konnte das Drittmittelvolumen der
RWTH Aachen University im Jahr 2012 auf 321 Millionen Euro gesteigert
werden.
Entwicklung des Drittmittelvolumens der RWTH Aachen University der letzten 10 Jahre
Die Fakultät für Maschinenwesen hat mit 110 Millionen Euro Drittmittelausgaben mehr als ein Drittel des gesamten Drittmittelvolumens der Hochschule eingeworben. Hinzu kommen 84,6 Millionen Euro Drittmittelausgaben in den assoziierten Fraunhofer- und An-Instituten von Professorinnen
und Professoren der Fakultät. Demgegenüber steht eine Basisfinanzierung
von ca. 94 Millionen Euro durch das Land NRW.
Entwicklung des Drittmittelvolumens der Fakultät für Maschinenwesen der letzten 5 Jahre
8
PROFILBEREICHE
» Verteilung der Fakultät 4-Institute auf die Profibebereiche der RWTH
Aachen University
Ein wichtiger Aspekt der jüngsten strategischen Überlegungen an der
RWTH Aachen University ist die Einrichtung von hochschulweiten Profilbereichen. Diese sollen die Fähigkeit der RWTH steigern, bedeutende Forschungsvorhaben und Großprojekte durchzuführen, indem bspw. wissenschaftliche Kompetenzen gebündelt, Kommunikationswege verkürzt sowie
Impulse für eine fakultätsübergreifende Struktur- und Entwicklungsplanung
gegeben werden. Übergeordnetes Ziel ist das erfolgreiche Arbeiten an interdisziplinären Zukunftsthemen.
Die Leitung der einzelnen Profilbereiche sowie die Steuerung von Organisations- und Kommunikationsabläufen innerhalb dieser werden jeweils
von einem Steering Committee (SC) übernommen, das sich aus max. 8
Personen zusammensetzt und einen Sprecher wählt.
Die Mehrzahl der Institute an der Fakultät für Maschinenwesen ist mehreren Profilbereichen zugeordnet.
Zum November 2012 sind folgende 8 Profilbereiche etabliert worden:
»
»
»
»
»
»
»
»
Computational Science & Engineering (CompSE)
Energy, Chemical & Process Engineering (ECPE)
Information & Communication Technology (ICT)
Material Science & Engineering (MatSE)
Medical Science & Technology (MedSE)
Molecular Science & Engineering (MSE)
Mobility & Transport Engineering (MTE)
Production Engineering (ProdE)
Profilbereiche
Mitglieder der SC aus der Fakultät 4
CompSE
Prof. Schröder, Prof. Behr
ECPE
Prof. Pischinger, Prof. Wessling
ICT
Prof. S. Jeschke
MatSE
Prof. Broeckmann
MedSE
Prof. Gries
MSE
Prof. Spieß
MTE
Prof. Eckstein, Prof. Abel
ProdE
Prof. Klocke, Prof. Abel
Von den aufgelisteten Mitgliedern sind derzeit fünf Professoren als Sprecher des jeweiligen Steering Committees tätig (Prof. Klocke, Prof. Gries,
Prof. Abel, Prof. Pischinger, Prof. Schröder).
Verteilung der Institute auf die Steering Committees
9
Lehr- und ForschungsEinrichtungen der
Fakultät
10
LehrstuHl und
Institut für
Regelungstechnik
Forschungsschwerpunkte
Das Institut für Regelungstechnik gliedert sich in vier Gruppen, welche regelungstechnische Forschung in den Anwendungsgebieten Kraftfahrzeugtechnik, Schienenfahrzeugtechnik, Medizintechnik und Industrieautomatisierung betreiben.
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Dirk Abel
Der Bereich „Automotive“ beschäftigt sich mit der Entwicklung innovativer Steuerungs- und Regelungskonzepte für Antriebsstrangkomponenten
bis hin zu Gesamtfahrzeugen. Schwerpunkte bilden hierbei die Regelung
moderner Verbrennungsmotoren, die Entwicklung intelligenter Energiemanagementstrategien für Hybridfahrzeuge sowie die Erforschung zukunftsweisender Fahrerassistenzsysteme.
Steinbachstraße 54
52074 Aachen
IRT - Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik
Tel.: +49 241/80-27500
Fax: +49 241/80-22296
[email protected]
www.irt.rwth-aachen.de
Die Gruppe „Rail“ befasst sich zum einen mit der Optimierung der Regelung von Fahrzeugkomponenten wie Fahrwerken oder Gleitschutzsystemen. Zum anderen wird an der Systemauslegung etwa von neuartigen
angetriebenen Güterwagen geforscht. Die Nutzung von Ortungssystemen
in Schienenfahrzeugen gewinnt als weiterer Schwerpunkt stetig an Bedeutung.
»» Studienrichtungen
alle
(Regelungstechnik ist Pflichtfach für alle Studienrichtungen der Fakultät 4)
Der Bereich „Medical“ erforscht Automatisierungssysteme, die sich auf Modelle menschlicher (Dys-) Funktionen stützen. In der Physiologie werden
Herz-Kreislaufmodelle zur Untersuchung körpereigener Regelkreise und
Unterstützungssystemen aufgebaut. Die Forschung im Bereich der Rehabilitation sowie der Patientennachführung in der Strahlentherapie beschäftigt
sich mit der Reglerentwicklung für Führungskinematiken, die Modelle der
menschlichen Bewegung ausnutzen.
»» Schwerpunkte
Methodik in den Bereichen modellprädiktive Regelung, robuste und digital
vernetzte Regelungen. Anwendungen liegen in den Bereichen Automotive
und Rail sowie Medizintechnik und Prozessanlagen
Schließlich liegen in dem Bereich „Industry“ die Forschungsschwerpunkte
bei der Regelung innovativer Kraftwerkskonzepte, dem energieoptimalen
Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen sowie der Entwicklung von Regelungsstrategien in der Produktionstechnik. Die dynamische Modellierung
und Simulation der betrachteten Prozesse sowie die Auslegung von Regelungen und Steuerungen stehen im Mittelpunkt der Arbeit der Gruppe.
»» Personal
1 Professor, 2 Obering./-innen, 24 wiss. Mitarbeiter/-innen,
9 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 51 stud. Mitarbeiter/-innen
Methodische Schwerpunkte bilden die Modellgestützte Prädiktive Regelung, die robuste Regelung und die Betrachtung von digital vernetzten
Regelsystemen.
11
Ausgewählte laufende Projekte
»» SiBopS - Simulationsgestützte Betriebsoptimierung für
Solarturmkraftwerke
»» Roboterassistierte Neurorehabilitation
Solarthermische Kraftwerke können einen wertvollen Beitrag zur Energiewende liefern. Da in ihnen thermische Speicher zum Einsatz kommen können, kann – anders als bei Photovoltaikmodulen - auch bei Wolkendurchgängen oder nachts Elektrizität bereitgestellt werden. Im Projekt SiBopS
werden verschiedene Ansätze verfolgt um den Betrieb eines solarthermischen Turmkraftwerks zu optimieren. Diese Ideen werden exemplarisch
am Solarturm Jülich evaluiert. Neben dem Institut für Regelungstechnik ist
auch das Institut für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen der RWTH
Aachen an SiBopS beteiligt. Weitere Projektpartner sind: DLR - Institut für
Solarforschung, FH Aachen – Solar Institut Jülich, Kraftanlage München
GmbH, CSP Services GmbH sowie die Leikon GmbH.
Alleine in Deutschland erleiden jährlich rund 240.000 Menschen einen
Schlaganfall. Als Folge dieser Schädigung des zentralen Nervensystems
treten häufig Bewegungsstörungen der oberen Extremität auf, die durch
eine Rehabilitation gemindert werden können. In der klinischen Neurorehabilitation werden physiotherapeutische Übungen idealerweise mehrfach
pro Tag durchgeführt. Bei jeder Übung braucht der Patient individuelle
Überwachung und Kontrolle, was jedoch durch die hohen Kosten sowie die
begrenzte Kapazität an Physiotherapeuten und Trainingseinrichtungen nur
äußerst begrenzt möglich ist.
Patientin am Rehabilitationssystem
Das Institut für Regelungstechnik ist im Projekt SiBopS maßgeblich an der
Entwicklung eines Betriebsassistenzsystems beteiligt. Das Assistenzsystem dient dazu dem Anlagenbediener Empfehlungen für die Einstellung von
Prozessgrößen im Kraftwerk zu machen um somit den Betrieb zu optimieren. Hierfür sind mehrere Stufen mit zunehmenden Automatisierungsgrad
vorgesehen. In einer ersten Stufe, dem sogenannten Prädiktionsmodus,
wird der Anlagenfahrer zunächst darüber informiert, wie sich der Zustand
des Kraftwerks entwickeln wird, wenn die Stellgrößen nicht verändert werden. Hierfür greift das Betriebsassistenzsystem auf Simulationsmodelle
des Kraftwerks zurück. So können kritische Anlagenzustände besser erkannt und somit leichter umfahren werden. In einer zweiten Stufe, dem
sogenannten Manöversimulator, wird dem Anlagenbediener ermöglicht,
die Konsequenzen von hypothetischen Änderungen in Stellgrößen simulativ zu ermitteln und somit einen Stelleingriff detaillierter und präziser zu
planen. Die dritte Stufe ist das eigentliche Betriebsassistenzsystem bzw.
der Empfehlungsmodus. Dieser Modus ermittelt optimale Stellgrößen, beispielsweise mit dem Ziel das Kraftwerk möglichst schnell hochzufahren
oder möglichst viel elektrische Energie ins Netz einzuspeisen. Die ermittelten Stellgrößen werden anschließend dem Anlagenfahrer als Vorschlag
übermittelt, der jedoch weiterhin die volle Kontrolle über die Anlage behält.
Dieser Empfehlungsmodus soll die Akzeptanz für die Optimierungsergebnisse, die auf einem Anlagenmodell basieren, verbessern. Zudem sollen
Erfahrungen mit dieser Methode gesammelt werden, um darauf aufbauend
in einem zukünftigen Projekt den Regelkreis komplett schließen zu können.
Ziel des Projektes ist es, in Kooperation mit einem Industriepartner sowie
einem weiteren Institut der RWTH (AME/RPE), ein Assistenzsystem basierend auf dem KUKA Leichtbauroboter (LBR) zu entwickeln, das angepasst
an die individuellen Bedürfnisse des Patienten die Ausführung während der
Übungen kontrolliert und ihn sowohl in Normal- als auch in Ausnahmesituationen unterstützt. Damit erhält der Patient die Möglichkeit, die Übungen
selbständig und mit hinreichender Häufigkeit durchzuführen. Das therapeutischen Personal wird dadurch unterstützt, zudem bieten sich neue
Möglichkeiten in der Therapie. Die Forschungstätigkeit des Instituts für Regelungstechnik beinhaltet hierbei unter anderem die Bewegungserfassung
des Patienten während der Interaktion mit dem Roboter. Diese basiert auf
den roboterinternen Sensoren sowie zusätzlichen Beschleunigungssensoren. Aus der Interaktion und individuellen Patienteninformationen werden Klassifikationsmerkmale abgeleitet, die eine Erkennung der aktuellen
Patientensituation ermöglichen und damit Grundlage für das Ableiten von
Strategien zur Regelung der Therapie sind. Hierbei muss das Wissen des
Physiotherapeuten vom Rehabilitationssystem abgebildet werden, damit
therapiekonforme Reaktionen auf das Patientenverhalten möglich werden.
Das Projekt SiBopS wird finanziert durch das EFRE kofinanzierte
Operationelle Programm für NRW im Ziel „ Regionale Wettbewerbsfähigkeit
und Beschäftigung.“
Der Solarturm Jülich
12
Ausgewählte Veröffentlichungen
»» Jarmolowitz, F.; Groß-Weege, Ch.; Lammersen, Th.; Shariati, S.;
Abel, D.:
Modelling and Robust Model Predictive Control of an Unstable Thermoacoustic System with Constraints.
In: ACC 2012 - The 2012 American Control Conference, June 27 - 29,
2012, Fairmont Queen Elizabeth, Montréal, Canada, Reglular Session
„Energy System Control“, ISBN 978-1-4577-1095-7, pp. 6588-6595
»» Arenbeck, H.; Bollue, K.; Abel, D.:
System and application concept of a novel robotic component for phantoms used in 4D-radiotherapy and 4D-medical imaging.
In: CARS 2012, Computer Assisted Radiology and Surgery, Proceedings
of the 26th International Congress and Exhibition, Pisa, Italy, June 27-30,
2012. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery,
Vol. 7, Supplement 1, June 2012, pp. 63-69, Springer Verlag
»» Nolteernsting, F.; Fischer, D.; Gall, J.; Abel, D.:
Optimal Storage Usage in CSP: A Dynamic Programming Approach.
In: SolarPACES 2012. Concentrating Solar Power and Chemical Energy
Systems, September 11-14, 2012, Marrakech, Marokko, J-10
»» Rütters, R.; Breuer, M.; Zhang, J.; Abel, D.; Lüdicke, D.:
Comparison of State Estimation Filters for Safety Relevant Localization
in Rail Applications, Based on the Milestone Based SiPoS-Rail Approach.
In: Proceedings of the 25th International Technical Meeting of the Satellite
Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2012), Nashville, TN,
September 17-21, 2012, pp. 1530-1536
»» Schrödel, F.; Maschuw, J.P.; Abel, D.:
An approach for calculating all stable PID parameters for time delay
systems with uncertain parameters.
In: PID‘12, IFAC Conference on Advances in PID Control, Brescia, 28-30
March 2012, FrPS.13
Drittmittelausgaben 2012
Drittmittelvolumen: 2.205.000 €
13
Lehrstuhl für
Reaktorsicherheit und
-technik
Univ.-Prof. Dr. rer. nat.
Hans-Josef Allelein
Der Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik (LRST) befasst sich in
enger Kooperation mit dem Institut für Energieforschung (IEF-6, Sicherheitsforschung und Reaktorforschung) des Forschungszentrums Jülich
vordringlich mit Sicherheitsanalysen von Kernkraftwerken. Wesentliche
Aufgabe im Hinblick auf die zukünftige Nutzung der Kernenergie ist es,
zu wirtschaftlichen Lösungen bei Reaktoren und Entsorgungseinrichtungen zu kommen, bei denen auch bei extremen Störereignissen keine
nennenswerten Mengen an Radioaktivität in die Umwelt gelangen können.
Dem Sicherheitsbehälter als letzter Barriere für die radioaktiven Spalt- und
Aktivierungsprodukte kommt deshalb eine herausragende Bedeutung
zu. Für Auslegung und Betrieb von Reaktoranlagen und insbesondere für Sicherheitsbetrachtungen ist es unabdingbar erforderlich, Betrieb
und Störfallszenarien in einem numerischen Modell abbilden zu können.
LRST - Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik
Kackertstr. 9
52072 Aachen
Tel.: +49 241/80-95440
Fax: +49 241/80-92183
[email protected]
www.lrst.rwth-aachen.de
»» Reaktorverhalten
»» Containmentphänomene und -prozesse
»» CFD-Simulationen
»» Energiewirtschaftliche Systemanalysen
Energietechnik (M.Sc.), Nuclear Safety Engineering (M.Sc.),
Physik (M.Sc.) Energietechnik
»» Schwerpunkte
Reaktorsicherheit, Reaktortechnik, Energiewirtschaft,
Alternative Energietechniken
»» Personal
14
»» Katalytische Rekombination von Wasserstoff in Sicherheitsbehältern
von Kernkraftwerken bei schweren Störfällen
»» Generic Containment
Katalytische Rekombinatoren werden in Kernkraftwerken zur Wasserstoffbeseitigung bei Störfällen eingesetzt. In Rekombinatoren wird neben Wasserstoff auch das brennbare Gas Kohlenmonoxid (CO), das im
Verlauf schwerer Störfälle z.B. bei der Schmelze-Beton-Wechselwirkung
freigesetzt wird, mit Sauerstoff umgesetzt. In Zusammenarbeit mit dem
Forschungszentrum Jülich im Rahmen eines BMWi-Förderprojekts wurde
nun die Kinetik der parallelen Rekombination von Wasserstoff und CO experimentell untersucht. Dabei konnte erstmals gezeigt werden, dass die
Umsetzung von CO erheblich langsamer abläuft als bisher angenommen.
Diese neue Erkenntnis wurde von der französischen Sachverständigenorganisation IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) zum
Anlass genommen, eine revidierte Sicherheitsanalyse für französische
Anlagen der Leistungsklassen 900 MWel und 1300 MWel durchzuführen.
Nach derzeitigem Stand wird seitens IRSN davon ausgegangen, dass als
Folge der neuen Studie die Nachrüstung weiterer Rekombinatoren in französischen Kernkraftwerken der 1300 MWel-Klasse erfolgen wird.
Ziel des Projektes „Generic Containment“ war es, die Ergebnisse verschiedener LES-Rechenprogramme nicht nur mit Experimenten, sondern auch
untereinander zu vergleichen.
In einem ersten Schritt wurde dafür zunächst eine einheitliche Nodalisierung der Geometrie erarbeitet, um dies als Quelle für Abweichungen ausschließen zu können. Danach erfolgte der Abgleich von Einflüssen auf die Phänomenologie des simulierten
Ereignisses. Dazu gehörten zum Beispiel die Anordnung und Modellierung von Berstscheiben oder festgelegte Werte für die Wärmestrahlung.
Nodalisierung des Containments eines Druckwasserreaktors als Generisches Containment
Darstellung des deutlich langsameren Umsatzes von CO im Vergleich zu
H2 an einem Rekombinator
Die Unterschiede in den Ergebnissen konnten nachfolgend hinsichtlich
ihrer Ursachen in den jeweiligen Modellen analysiert werden, wie zum Beispiel den von den Programmen berechneten Kondensationsraten.
Aus den sehr detaillierten Vergleichsuntersuchungen konnte somit ein verbessertes Verständnis und eine erhöhte Sicherheit bezüglich der von den
jeweiligen Programmen berechneten Ergebnisse gewonnen werden.
»» Wirkzusammenhänge in Energieversorgungssystemen mit Erneuerbaren Energien
Aus verschiedenen Rechencodes resultierende Druckverläufe im Generischen Containment
Im Bereich der energiewirtschaftlichen Systemanalysen werden Lösungsansätze zur Abbildung von Systemkomponenten und Wirkungszusammenhängen im Stromversorgungssystem mit Hilfe von mathematischen
Optimierungsmodellen entwickelt. Verstärkter Fokus der Forschungsaktivitäten liegt hierbei auf Fragestellungen des Einsatzes stationärer Speichertechnologien im Strommarkt. Auf Grundlage multifunktionaler Betriebsführungskonzepte werden die Auswirkungen des Speichereinsatzes auf das
Gesamtsystem unter Einbezug unterschiedlicher Ausbaustrategien erneuerbarer Energien untersucht.
15
»» Allelein, H.-J., B. Schlögl, J. Baggemann, S. Jühe, and S. Kasselmann:
Experimental Investigations and Analytical Improvements for HTR Pebble
Bed Cores
20th International Conference Nuclear Engineering ICONE-20 (2012)
Anaheim, CA, USA. 07/30/2012 - 08/03/2012
»» Allelein, H.-J., Reinecke, E.-A., Belt, A., Broxtermann, P., Kelm, S.:
Combined analytical and experimental investigations for LWR containment
phenomena
Nuclear Engineering and Technology, Vol. 44, No. 3, April 2012
Drittmittelvolumen: 696.000 €
16
Lehrstuhl
für Technische
Thermodynamik
Die Forschung am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik umfasst
alle Skalen der thermodynamischen Analyse: vom Molekül bis zum
Prozess. Die Anwendungen liegen dabei in allen Bereichen der Energie- und
Verfahrenstechnik.
André Bardow
Die Arbeiten sind inhaltlich auf folgende Forschungsgruppen aufgeteilt:
Schinkelstraße 8
52062 Aachen
LTT - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
»» Energiesystementwicklung:
Die Gruppe entwickelt rigorose Methoden für den computergestützten Entwurf und die Optimierung von Energieversorgungskonzepten für Gewerbe,
Kommunen und Industrie. Dabei werden sowohl einzelne Komponenten
als auch ganze Systeme betrachtet, die sich bis zur stofflichen Integration
von Energie- und Verfahrenstechnik erstrecken. Neben ökonomischen und
technischen Aspekten werden auch ökologische Auswirkungen mit Hilfe
von Ökobilanzen (LCA) bewertet.
Tel.: +49 241/80-95381
Fax: +49 241/80-92255
[email protected]
www.ltt.rwth-aachen.de
»» Sorptionstechnik:
Die energietechnische Anwendung von Adsorptionsprozessen wird mit
Hilfe experimenteller Untersuchungen und Computersimulationen erforscht. Zur Zeit stehen Wärmepumen und thermische Energiespeicher
zur Bereitstellung von Wärme und Kälte im Fokus der Forschungsarbeiten.
Maschinenbau (Bachelor), Energietechnik, Verfahrenstechnik,
Grundlagen des Maschinenwesens
»» Innovative Messtechniken in thermodynamischen Systemen:
Zur experimentellen Untersuchung von Phasengleichgewichten,
Reaktionsverläufen sowie Diffusions- und Strömungsvorgängen
werden zum Einen optische Messtechniken, wie die Ramanspektroskopie und die Infrarotspektroskopie, zur zeitlich und räumlich hochaufgelösten Bestimmung von Konzentrationen und Temperaturen eingesetzt. Zum Anderen erfolgt eine modellgestützte Optimierung der
Versuche im Sinne der Prozessintensivierung durch Miniaturisierung.
»» Schwerpunkte
Analyse und Optimierung von Energiesystemen, energetische Anwendungen der Adsorption, molekulare Modelle zur Stoffdatenvorhersage,
optische Messtechnik zur Konzentations- und Temperaturbestimmung in
Fluiden
»» Personal
2 Professoren, 1 Obering./-innen, 38 wiss. Mitarbeiter/-innen,
»» Molekulare Thermodynamik:
Zur Erklärung und Beschreibung des Materialverhaltens fluider Stoffe in
Abhängigkeit vom molekularen Aufbau der Materie werden Methoden aus
der Quantenmechanik, der klassischen Mechanik, der statistischen Thermodynamik und der Elektrostatik verwendet.
Vom Lehrstuhl für Technische Thermodynamik wurden in 2012 folgende
Vorlesungen angeboten:
»» Thermodynamik I/II (Bachelor)
»» Energiesystemtechnik
»» Einbindung regenerativer Energiesysteme
»» Angewandte Molekulare Thermodynamik
17
»» Dream Production
CO2 als Baustein für Polymere
»» Innovative Energiespeicher für die effiziente Wärmeversorgung einer
Brauerei
Die chemische Nutzung von CO2 bietet vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit das Potential, das Treibhausgas CO2 langfristig in Materialien und
Produkte einzubauen. Kohlenstoff-Bausteine fossilen Ursprungs können so
als Ausgangsmaterialien ersetzt werden.
Im Fokus des Forschungsprojektes „Dream Production“ steht daher die
stoffliche Nutzung von CO2 für die Herstellung von Polyurethan-Kunststoffen (PUR). Die CO2-Nutzung wird von einem Konsortium der Industriepartner Bayer MaterialScience, Bayer Technology Services und RWE Power
AG sowie der RWTH Aachen erforscht und in einer Pilotanlage demonstriert.
Die gesamte neue Wertschöpfungskette (vgl. Abb. 1) wird vom Lehrstuhl
für Technische Thermodynamik im Rahmen einer Ökoeffizienz-Analyse mit
bestehenden Verfahren zur PUR-Herstellung verglichen. Die ökologische
Bewertung erfordert eine ganzheitliche Betrachtung aller vor- und nachgeschalteten Prozesse über den gesamten Lebenszyklus. Der gesamte
Lebenszyklus wird daher mit Hilfe der Ökobilanz-Methodik (engl. Life cycle
assessment, LCA) analysiert. Es ist zu klären, ob der Energieaufwand für
die Aktivierung des reaktionsträgen CO2 größer ist als der Gewinn durch
den Einbau des Treibhausgases.
Die Effizienz von Prozessen mit fluktuierendem Energieangebot oder –
bedarf kann durch den Einsatz von thermischen Speichern gesteigert
werden. Sorptionsspeicher haben den Vorteil, dass die gleiche Anlage
sowohl als Wärmespeicher als auch als Wärmepumpe und Wärmetransformator arbeiten kann. Damit sind sie ideal dazu geeignet, Leistung und Wärme entsprechend des Bedarfsprofils zu verschieben.
Im Rahmen eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projekts wurde am LTT ein Zeolithspeicher für den Einsatz in der Brauindustrie entwickelt. Den Prüfstand zeigt Abbildung 2.
Der Brauprozess zeichnet sich durch einen kurzzeitigen Bedarf an Hochtemperaturwärme aus, zu dessen Deckung eine Wärmeerzeugungseinheit
mit hoher Leistung benötigt wird. Im Projekt wird die hohe Wärmeleistung
nun von einem Zeolithspeicher bereitgestellt, der durch ein Motorheizkraftwerk (MHKW) bei niedriger Leistung beladen wird. Durch den Einsatz des
Zeolithspeichers ist somit eine energieeffiziente und wirtschaftliche Betriebsweise des MHKWs mit hohen Laufzeiten möglich. Die gewünschte
Leistungsverschiebung konnte erfolgreich demonstriert werden und ermöglicht gegenüber konventionellen Brauereien eine Primärenergieeinsparung
von ca. 30 %.
Abb. 1: Systemfließbild „Dream Production“
Abb. 2: Zeolithspeicherprüfstand am LTT
18
»» Molekulare Modellierung zukünftiger Biokraftstoffe
»» Untersuchungen zum Phasenverhalten neuer Biokraftstoffe
An der RWTH werden im Exzellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ neue Methoden zur Definition und Herstellung eines
nachhaltigen Kraftstoffes erarbeitet. In diesem Rahmen beschäftigt sich
die Gruppe „Molekulare Thermodynamik“ des LTT mit der Entwicklung
von molekular basierten Modellen zur Vorhersage von Stoffeigenschaften.
Dabei arbeitet ein interdisziplinäres Team aus Naturwissenschaftlern und
Ingenieuren gemeinsam daran, grundlegende Methoden der Quantenmechanik und der Thermodynamik zu nutzen, um Lösungen für anwendungsspezifische Probleme zu finden. Die Vorhersagemodelle werden im Cluster
einerseits eingesetzt, um aus der Vielzahl möglicher Lösungsmittel und
Hilfsstoffe während des Herstellungsprozesses diejenigen zu identifizieren,
die das größte Potential bezüglich energieeffizienter, ökonomischer und
ökologisch verträglicher Verfahren bieten. Darüber hinaus wird auch nach
Kraftstoffkomponenten selbst gesucht, die eine besonders emmissionsarme Verbrennung ermöglichen.
Im Rahmen des Exzellenzclusters „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ wird nach neuen Kraftstoffkomponenten aus Biomasse gesucht.
Diese Moleküle besitzen einen höheren Sauerstoffanteil als konventionelle
Kraftstoffe und beeinflussen somit deren Wasserlöslichkeit, wenn sie als
Kraftstoffadditive verwendet werden. Um Umwelteinflüsse und Probleme
beim Transport dieser Kraftstoffmischungen zu vermeiden, muss deren
Phasenverhalten mit Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen bekannt
sein. Zur Zeit ist es noch nicht möglich, dieses Phasenverhalten quantitativ
vorherzusagen, sodass hier experimentelle Daten unerlässlich sind.
Zu diesem Zweck wurde eine Plattform entwickelt, die die Charakterisierung von Flüssig-flüssig-Gleichgewichten automatisiert durchführt. Von der
Herstellung der Proben über deren Analyse bis hin zur Datenauswertung
führt die Plattform jeden Arbeitsschritt automatisiert durch und ermöglicht
dabei die gleichzeitige Einstellung von 98 Flüssig-flüssig-Gleichgewichten.
Das benötigte Probenvolumen der einzelnen Flüssig-flüssig-Gleichgewichte wurde von sonst üblichen 25 mL auf 1 mL herabgesetzt. Aufgrund dieser
geringen Volumina, verringert sich auch die Zeit, die zur Gleichgewichtseinstellung benötigt wird.
Diese neue Plattform ermöglicht es somit, den Einfluss neuer Kraftstoffkomponenten auf die Wasserlöslichkeit konventioneller Kraftstoffe schnell
und vor allem mit sehr wenig Materialaufwand zu untersuchen.
Abb. 3: Autosampler
19
»» Xin Liu, Thijs J. H. Vlugt und André Bardow:
A Predictive Darken Equation for Maxwell-Stefan Diffusivities in Multicomponent Mixtures
Industrial & Engineering Chemistry Research, 50(17):10350–10358, 2011.
»» Xin Liu, Thijs J. H. Vlugt und André Bardow:
Maxwell-Stefan Diffusivities in Binary Mixtures of Ionic Liquids with Dimethyl Sulfoxide (DMSO) and H2O
The Journal of Physical Chemistry B, 115(26):8506-8517, 2011.
»» Oyarzún Bernardo, André Bardow und Joachim Gross:
Integration of process and solvent design towards a novel generation of
CO2 absorption capture systems
Energy Procedia, 4:282–290, 2011.
»» Philip Voll, Mathias Lampe, Gregor Wrobel und André Bardow:
Superstructure-free Synthesis and Optimization of Distributed Energy
Supply Systems
In Bojic, M. ; Lior, N. ; Petrovic, J. ; Stevanovic, G. ; Stevanovic, V., Editor,
24th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation, and Environmental Impact of Energy Systems (ECOS 2011) , Seite
1396-1407, 2011.
»» Linzhu Gou, Simone Robl, Kai Leonhard, Heike Lorenz, Magdalena
Sordo, Annamaria Butka, Stefan Kesselheim, Morris Wolff, Andreas
Seidel-Morgenstern und Karlheinz Schaber:
A hybrid process for chiral separation of compound-forming systems
Chirality, 23(2):118–127, 2011.
20
Model-based
Fuel Design
Ziel des modellbasierten Designs ist es, Fluide mit ganz bestimmen, nützlichen Eigenschaften unter Zuhilfnahme von Stoffdatenmodellen zu entwickeln. Dabei steht die Entwicklung neuer Kraftstoffe aus Biomasse, die
besonders emissionsarm verbrennen, im Vordergrund. Wir arbeiten jedoch
ebenfalls in Kooperationen an Projekten zum Design von Lösungs-, Reaktions- und Trennmedien sowie Mikrogelen mit. Ziele dabei sind die ökonomische und ökologische Gewinnung von verschiedensten Grundstoffen
für Anwendungen, die von Kraftstoffen bis zu Medikamenten reichen, die
Aufreinigung von Zwischenprodukten sowie die Verbesserung der Qualität
von Produkten aus chemischen Reaktoren.
Juniorprof. Dr.-rer. nat.
Kai Leonhard
LTT - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
Model-based Fuel Design
Schinkelstraße 8
52062 Aachen
Tel.: +49 241/80-98174
Fax: +49 241/80-92255
Ein wesentliches Standbein ist dabei die molekulare Thermodynamik. Sie
erlaubt es, Modelle für Stoffeigenschaften ausgehend von der molekularen
Struktur zu entwickeln. So sind die gewünschten Eigenschaften ohne aufwendige Messungen zugänglich.
[email protected]
www.ltt.rwth-aachen.de/mbfd
Das zweite Standbein, dass wir uns z. Z. erarbeiten, umfasst die nötigen
Design-Methoden, um mit diesen Modellen, ausgehend von den gewünschten Eigenschaften, die molekularen Strukturen und damit die gesuchten
Stoffe identifizeren zu können.
Energietechnik, Verfahrenstechnik
»» Schwerpunkte
Entwicklung prädiktiver Stoffdatenmodelle, Modellbasiertes Design in
Energie- und Verfahrenstechnik
»» Personal
21
»» Lösungsmitteldesign zur Biomasseauflösung
»» Ab initio Verbrennungskinetik
Um Biomasse als vollwertige Erdölalternative zu nutzen, ist das Auflösen
der erste erforderliche Prozessschritt. Dieser Schritt stellt hohe Anforderungen an ein Lösungsmittel. Der relativ neue Stoffgruppenzweig der
sogenannten Ionischen Flüssigkeiten (eng. Ionic liquids, IL) hat sich als
vielversprechendes Lösungsmittel herausgestellt. IL haben jedoch einige
Nachteile, nicht zuletzt mindern die hohen Herstellungskosten die Wirtschaftlichkeit. Am Beispiel der Cellulose, einem der Hauptbestandteile von
Biomasse, suchen wir im „Tailor-made Fuels from Biomass“-(TMFB)-Exzellenzcluster unter Zuhilfenahme theoretischer Modelle nach Optimierungsmöglichkeiten der IL. Basierend auf quantenmechanischen Berechnungen
entwickeln wir molekulare Strukturen, die die gewünschten Eigenschaften
haben. Die von uns errechneten Systeme werden klassifiziert und die am
meisten Erfolg versprechenden zur Synthese und experimentellen Überprüfung unserer Ergebnisse an Kooperationspartner übermittelt. Anhand
der verifizierten Ergebnisse erfolgt eine kontinuierliche Optimierung unserer Modelle.
Die Kinetik von Verbrennungsvorgängen wird von den thermodynamischen
Daten vieler Zwischenprodukte und deren Elementarreaktionen bestimmt.
Diese Reaktionen werden für Computational Fluid Dynamics-(CFD)-Simulationen benötigt, um Verbrennungsmotoren sparsamer und sauberer zu
machen. Im Rahmen des TMFB-Exzellensclusters berechnen wir solche
Stoffdaten mit Methoden der Quantenmechanik und der statistischen Mechanik für potentielle Biokraftstoffkomponenten. Die Ziele des Projektes
umfassen sowohl die Weiterentwicklung der Methoden, um die relevanten
Effekte genauer zu beschreiben, als auch die Anwendung auf Moleküle, die
für den TMFB-Cluster potentielle Biokraftstoffe darstellen.
Abb. 1: Lösungsmitteldesign
Abb. 2: Butanol-Kinetik
22
»» Prädiktive Zustandsgleichung
Zustandsgleichungen sind wichtige Werkzeuge zur Modellierung von Stoffdaten für die motorische Einspritzung, für Trenn- und Reaktionsprozesse
sowie für energietechnische Anwendungen wie Kompressionswärmepumpen. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer prädiktiven
Zustandsgleichung auf Basis von PC-SAFT (Perturbed-Chain Statistical
Associating Fluid Theory) und quantenmechanisch berechneten Moleküleigenschaften. Sie wird benutzt um thermodynamische Eigenschaften von
Reinstoffen und Mischungen zu berechnen ohne dafür experimentelle Daten zu benötigen.
Es wurde ein Ansatz entwickelt, die Zustandsgleichungsparameter mittels
quantenmechanischer Rechnungen für nicht-wasserstoffbrücken-bildende
Stoffe zu berechnen. In diesem Zusammenhang beschäftigen wir uns mit
der Weiterentwicklung der Beschreibung elektrostatischer Wechselwirkungen. Wir wenden das Modell an, um thermodynamische Eigenschaften
neuartiger Biokraftstoffe zu modellieren, die die Einspritz-, Verdampfungsund Mischungsprozesse im Motor und damit letztlich die Schadstoffemissionen bestimmen.
Abb. 3: Zustandsgleichung
23
»» M. Hechinger, K. Leonhard und W. Marquardt:
What is Wrong with Quantitative Structure–Property Relations Models
Based on Three-Dimensional Descriptors?
Journal of Chemical Information and Modeling 52, 1984–1993 (2012)
»» D. Dechambre, C. Pauls, K. Leonhard, L. Greiner und A. Bardow:
Systematic Model-Based Design of Experiments for the Data-Reduction of
Liquid-Liquid Equilibria
Thermodynamik-Kolloquium, Potsdam 4.10.-6.10. (2012).
»» S. Korden, N. Van Nhu, J. Vrabec, J. Gross und K. Leonhard:
On the Treatment of Electrostatic Interactions of non-Spherical Molecules
in Equation of State Models,
Soft Materials 10, 80–104 (2012)
»» C. Jens, K. Nowakowski, C. Gertig, K. Leonhard, A. Behr und A.
Bardow:
Molekulare Optimierung von Lösungsmitteln für die Ameisensäure-Synthese zur Speicherung von CO2 und H2
ProcessNET - Jahrestagung, 10-13 September (2012).
»» K. Leonhard, M. Umer, K. Albers und G. Sadowski:
Ab-initio Rechnungen – eine Quelle für PC-SAFT Parameter
VDI-Thermodynamik-Kolloquium, Potsdam, 4.10.–6.10. (2012).
24
Forschungs- und Lehrgebiet
Hochtemperatur-Werkstoffmechanik / Allg. Mechanik
(RWTH-IAM / FZ Jülich)
Mechanisches Verhalten von Hochtemperaturwerkstoffen der Energietechnik, insbesondere:
Tilmann Beck
»» Höchstwarfeste Stähle für Dampferzeuger, Dampfturbinen, Brenstoffzellen- und Abgassysteme
»» Nickelbasis-Superlegierungen für Gasturbinen
»» Keramische Wärmedämschichtsysteme für Gasturbinenkomponenten
»» Funktionskeramiken zur Gastrennung in Kraftwerksprozessen mit
CO2-Sequestration
»» Reaktivgelötete Metall-Keramik-Verbunde für Brennstoffzellen- und
Gastrenn-Membransysteme
»» Innovative Feuerfestwerkstoffe mit reduziertem Kohlenstoffgehalt
Forschungszentrum Jülich
Institut für Energie- und Klimaforschung
IEK - 2 Werkstoffstruktur und Eigenschaften
Wilhelm-Johnen-Straße
52428 Jülich
Tel.: +49 2461/61-4425
Fax: +49 2461/61-6464
»» Ultrahochzyklusermüdunge metallischer Werkstoffe
»» Thermomechanische Ermüdung von metallischen Werkstoffen
und Metall-Keramik Schichtverbunden
[email protected]
www.fz-juelich.de/iek/iek-2/
Wirtschaftsingenieurwesen - Diverse Fachrichtungen
»» Schwerpunkte
Forschung auf den Gebieten Metallische Hochtemperaturwerkstoffe,
Schutzschichtsysteme, Gastrennmembranen
Lehre: Allgemeine Mechanik - Grundlagen
»» Personal
25
»» Charakterisierung und Optimierung von Wärmedämmschichtsystemen für Gasturbinen
»» Entwicklung von Höchstleistungs-Al-Legierungen für Verbrennungsmotorkolben
In einem DFG-Gemeinschaftsprojekt mit der TU Braunschweig wird der
Einfluss der Grenzflächenrauheit und Kriechfestigkeit der Komponenten
des Schichtsystems auf die Schädigung und Lebensdauer bei thermozyklischer Beanspruchung experimentell und mittels FEM-Simulation untersucht. Aktueller Schwerpunkt dieses nach erfolgreicher Begutachtung nun
in seiner dritten und abschließenden Förderphase befindlichen Projekts ist
die experimentelle (FZ Jülich) und numerische (TU Braunschweig) Analyse der Interaktion von Segmentierungs- und Delaminationrissen auf das
Schichtversagen. Ein BMWI-gefördertes Projekt befasst sich parallel hierzu
mit dem Einfluss der Phasenlage zwischen Temperatur und mechanischer
Beanspruchung auf die Lebensdauer und Schädigungsmechanismen intermetallischer Oxidationsschutzschichten für Ni-Basis-Gusslegierungen bei
thermomechanischer Ermüdungsbelastung. Projektpartner sind Siemens,
MTU-AeroEngines, TU Darmstadt und KIT.
In einem BMBF-geförderten Verbundprojekt gemeinsam mit der Uni Erlangen und FederalMogul Nürnberg werden Druckguss- und Niederdruck-Kokillengusstaugliche Aluminiumlegierungen für Anwendungstemperaturen
bis 450°C in höchstleistungs-Dieselmotoren entwickelt. Patentanmeldungen für insgesamt 6 Kombinationen von Legierung und Gießprozess wurden eingereicht.
»» Entwicklung höchstwarmfester ferritischer Stähle
»» Ultrahochzyklusermüdung metallischer Werkstoffe
In einem 2012 erfolgreich abgeschlossenen BMBF-geförderten Projekt
wurden gemeinsam mit dem MPI für Eisenforschung, Düsseldorf, der
Ruhr-Universität Bochum und den Industriepartnern Thyssen-Krupp, Benteler und Behr lavesphasenverfestigte ferritische Hochtemperaturstähle für
die Anwendung in Abgas- und Brennstoffzellensystemen bei Temperaturen
bis 950°C entwickelt. Zwei neu entwickelte Legierungen wurde gemeinsam
mit den Projektpartnern zum Patent angemeldet. Zur Übertragung des für
Temperaturen ab 800°C erfolgreich angewandten Ansatzes der Lavesphasenverfestigung auf den Einsatz in Hochtemperatur-Dampfkraftwerken bei
Temperaturen um 650°C existiert eine intensive Zusammenarbeit mit den
RWTH-Instituten IWM und IEHK, die durch eine Promotion im Rahmen des
Stipendienprogramms der Jülicher Graduiertenschule HITEC zur Analyse
des Einflusses thermomechanischer Behandlungen auf die Bildungs- und
Vergröberungskinetik verfestigender Phasen flankiert wird. Zur Erforschung
der Schweißbarkeit dieser Werkstoffklasse wurde ein BMBF-finanziertes
Kooperationsprojekt mit den Oak Ridge National Labs (USA) initiiert.
Im Rahmen des DFG-SPP „Life-Unendlich“ wird das Ermüdungsverhalten eines martensitischen Dampfturbinenstahls bei hohen Mittelspannungen und
Zykluszahlen bis über 10E9 untesucht. In Mittelpunkt der bewilligten 3-Jährigen Fortsetzung des Projektes steht die detaillierte Analyse der lebensdauerbestimmenden Anrissbildung bei derartigen Beanspruchungen und darauf
aufbauend die Entwicklung eines Werkzeuges zur Lebensdauervorhersage.
In einem Teilprojekt der Aachener Forschergruppe „ADR“ (Leiter: Prof.
Schröder, AIA) wird das Ultrahochzyklus-Ermüdungsverhalten von Aluminiumblechen mit widerstandreduzierender Oberflächenstrukturierung
erforscht.
»» Charakterisierung und Weiterentwicklung reaktivgelöterer
Metall-Keramik Verbunde
»» Keramische Werkstoffe für Hochtemperaturbrennstoffzellen und
Gastrennmembranen
IIn einem industriefinanzierten Vorhaben und einem DFG-Paketprojekt
(gemeinsam mit den Aachener Instituten IWM, IOT und ACCESS) wurden
Lotrezepturen und Lötprozesse für Stahl-Keramik-Verbunde in GastrennMembransystemen und Hochtemperatur-Brennstoffzellen weiterentwickelt
und deren erheblich verbessertes Degradationsverhalten bei isothermer
und thermozyklischer Belastung an Luft nachgewiesen. In der 2012 bewilligten Fortsetzung dieses Vorhabens wird u.A. das Verhalten reaktivgelöteter Verbunde mit hoher thermischer Fehlpassung erforscht.
Im Helmholtz-Portfolio „MemBrain“ und drei drittmittelfinanzierten Forschungsvorhaben werden in einem europaweiten Verbund das temperaturabhängige elastische Verhalten, die Festigkeit und die Kriecheigenschaften perowskitischer, ionenleitender Keramiken in anwendungsrelevanten
Atmosphären untersucht und in enger Kooperation mit Forschungsprojekten zur Thermochemie dieser Werkstoffe in die Optimierung der chemischen
Zusammensetzung eingebracht. Zur Charakterisierung der mechanischen
Eigenschaften und des Degradationsverhaltens keramischer Funktionsund Isolationsschichten für Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme werden derzeit 4 Projekte mit erheblicher Industriebeteiligung bearbeitet.
26
»» M. Schweda, T. Beck, L. Singheiser:
Thermal cycling damage evolution of a thermal barrier coating and the
influence of substrate creep, interface roughness and pre-oxidation,
International Journal of Materials Science (2012), 40-49
»» B. Buchholz, T. Beck, U. Gampe:
Development of a Generalized LCF-TMF Lifing Model for a Nickel-Base
Superalloy,
Procs. ASME Turbo Expo 2012, July 17-20, 2012, Copenhagen, Denmark
»» S. Kovacs, T. Beck, L. Singheiser:
Influence of mean stresses on fatigue life and damage of a turbine blade
steel in the VHCF-regime,
Int. J. Fatigue 49 (2013), 90–99
»» C. Li, B. Kuhn, J. Brandenberg, T. Beck, L. Singheiser, K. Bobzin, N.
Bagcivan, N. Kopp:
Improving Contour Accuracy and Strength of Reactive Air Brazed (RAB)
Ceramic/Metal Joints by Controlling Interface Microstructure,
Adv. Engng. Mater. 14 (2012), 394-399
»» T. Beck, O. Trunova, R. Herzog, L. Singheiser:
TBCs for Gas Turbines under Thermomechanical Loadings: Failure Behaviour and LifePrediction,
J. Energy and Power Engineering 7 (2013), 647-653
Anzahl der Drittmittelprojekte: 13
27
Lehrstuhl für
computergestützte
Analyse technischer
Systeme
Univ.-Prof.
Marek Behr, Ph.D.
Der Lehrstuhl für computergestützte Analyse technischer Systeme hat seinen Schwerpunkt in der Simulation und Modellbildung von inkompressiblen
und kompressiblen Strömungen in der Biomedizin-, Produktion- und Luftund Raumfahrttechnik.
CATS - Lehrtstuhl für computergestützte Analyse
technischer Systeme
Folgende Forschungsschwerpunkte sind am Lehrstuhl zu finden:
Schinkelstraße 2
52062 Aachen
»» Modellierung von Blutströmungen in künstlichen Organen, z.B.
Blutpumpen
»» Entwicklung von Modellen, die Blutschädigungen in Blutpumpen
aufzeigen
»» Simulationen und Formoptimierung produktionstechnischer Prozesse,
z.B. Profilextrusion
»» Berechnungsverfahren für Arbitrary-Lagrangian-Eulerian Strömungssimulationen
»» Modellierung von Gasströmungen für Anwendungen in der Luft- und
Raumfahrt
»» Adaptiven Strömungssimulationstechniken und Strömung-StrukturKopplungsschemata
»» Parallelisierungstechniken für Computerarchitekturen mit verteiltem
Speicher
»» Parallele iterative Löser und Vorkonditionierer für große Gleichungssysteme
Tel.: +49 241/80-99900
Fax: +49 241/80-99910
[email protected]
www.cats.rwth-aachen.de
Computational Engineering Science, Grundlagen des Maschinenwesens
»» Schwerpunkte
Rechnergestützte Analyse von Strömungsvorgängen mit Anwendungen
der Medizintechnik, Produktionstechnik und Aerodynamik
Der Lehrstuhl für computergestützte Analyse technischer Systeme bietet
die Pflichtveranstaltung Simulationstechnik im Bachelor Maschinenbau zusammen mit AVT.SVT an. In dem Studiengang Computational Engineering
Science (CES) bietet der Lehrstuhl die Pflichtvorlesungen CES Mechanik
I/II an. Weiterhin werden verschiedene Wahlpflichtvorlesungen angeboten,
u.a. Paralleles Rechnen in der computergestützten Mechanik, Isogeometrische Analyse, Numerische Methoden der Fluid-Struktur-Interaktion und
Finite Elemente in der Fluiddynamik.
»» Personal
Der Lehrstuhl arbeitet eng mit internationalen Partnern zusammen, insbesondere mit:
»» Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Rice University, Houston, USA
»» Department of Mechanical Engineering, Technion, Haifa, Israel
»» Department of Civil Engineering, Chuo University, Tokyo, Japan
»» MicroMed Technology, Houston, USA
Projekt-/Abschlussarbeiten werden in den meisten oben benannten Forschungsthemen angeboten.
Der Lehrstuhl gehört zu den Gründungsmitgliedern des Center for CES
(CCES).
Der Lehrstuhl koordiniert die Aktivitäten der Graduiertenschule Aachen Institute for Advanced Study in CES (AICES) und ist am Betrieb der German
Research School for Simulation Sciences (GRS) beteiligt.
28
»» Numerische Modellierung von Strömungen mit freien Oberflächen
Die am CATS entwickelten Methoden für Strömungen mit freien Oberflächen sollen in Zukunft auch Anwendung finden in der numerischen Optimierung von Gießprozessen. Hierbei ergibt sich durch die Abkühlung des
Gussteils ein gewisser Verzug. Das Ziel ist es, diesen Verzug bereits bei
der Auslegung der Form berücksichtigen zu können, um die tatsächliche
Zielgeometrie nach der Abkühlung zu erhalten. Hierzu soll die Formfüllung
im Rahmen einer numerischen Formoptimierung simuliert werden, so dass
letztendlich die Qualität und die Toleranzen der Gussteile verbessert werden können.
Strömungen mit freien Oberflächen treten in vielen technischen und ingenieurwissenschaftlichen Anwendungen auf. Darunter fallen zum Beispiel die
Auslegung von umströmten Wasserbauten und Schiffsrümpfen, die Füllung
von Formen mit einer Schmelze bei Gießprozessen oder die Formgebung
einer Schmelze in der Profilextrusion. Strömungen mit einer freien Oberfläche können dabei grundsätzlich als nicht-mischbares Zweiphasenproblem angesehen werden, wobei oft der Einfluss der gasförmigen Phase auf
die flüssige Phase vernachlässigbar ist. Es gibt aber auch Situationen wo
die treibende Kraft von der gasförmige Phase ausgeht, wie zum Beispiel
bei Blasensäulenreaktoren. Numerische Simulationen ermöglichen es ein
tiefergehendes Verständnis von lokalen Phänomenen zu erlangen und damit derartigen Prozesse zu optimieren und zu steuern.
Simulation zweier aufsteigender Luftblasen in Wasser
Am Lehrstuhl für Computergestützte Analyse Technischer Systeme (CATS)
werden verschiedene Ansätze für die numerische Modellierung von inkompressiblen Strömungen mit freien Oberflächen verfolgt und entwickelt. Die
Basis des hauseigenen Strömungslösers bildet dabei die Finite Elemente
Methode (FEM). Eine Herausforderung bei der Modellierung von Strömungen mit freien Oberflächen stellt vor allem die Verfolgung der bewegten
Oberfläche dar. Abhängig vom Anwendungsfall treten nur kleine und langsame Bewegungen der Oberflächen auf; wie zum Beispiel bei der Profilextrusion. Dahingegen können zum Beispiel bei Wasserbauten brechende
Wellenfronten entstehen die großen und rapiden Bewegungen unterliegen.
Bei der Entwicklung von möglichst universellen Simulationsmodellen ist
dementsprechend eine flexible und auch robuste Beschreibung der freien
Oberfläche unumgänglich. Des Weiteren spielt insbesondere bei kleinskaligen Problemen auch die Genauigkeit der Oberflächenbeschreibung eine
bedeutende Rolle. In der Simulation von aufsteigenden Blasen müssen
zum Beispiel mikroskopische Effekte wie die Oberflächenspannung berücksichtigt werden. Die numerische Modellierung derartiger Effekte hängt
entscheidend von der Güte der Oberflächenbeschreibung ab. Um diesen
anwendungsspezifischen Anforderungen an die Beschreibung der Oberfläche gerecht zu werden, wird abhängig von der Situation der am besten
geeignete Ansatz zur Modellierung der freien Oberfläche gewählt.
Visualisierung einer Strömungsimulation von einem Überlaufwehr
29
»» S. Elgeti, H. Sauerland, L. Pauli, and M. Behr:
On the Usage of NURBS as Interface Representation in Free-Surface
Flows, I
nternational Journal for Numerical Methods in Fluids, 69 (2012) 73–87.
»» H. Sauerland and T. Fries:
The stable XFEM for Two-Phase Flows.
Computers & Fluids, 2012, DOI: 10.1016/j.compfluid.2012.10.017
»» T. Nguyen, M. Vukovic, M. Behr and B. Reinartz:
Numerical Simulations of Successive Distortions in Supersonic Turbulent
Flow,
AIAA Journal, 50 (2012) 2365–2375.
»» S. Frauholz, M. Behr, B.U. Reinartz and S. Müller:
“Numerical Simulation of Hypersonic Air Intake Flow in Scramjet Propulsion Using a Mesh-Adaptive Approach”,
Paper AIAA 2012-5976, in Proceedings of the 18th AIAA/3AF International
Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference,
Tours France, (2012).
»» S. Elgeti, M. Probst, C. Windeck, M. Behr and W. Michaeli and C.
Hopmann:
Numerical Shape Optimization as an Approach to Extrusion Die Design,
Finite Elements in Analysis and Design, 61 (2012) 35-43.
30
Institut für
Oberflächentechnik
Forschungsschwerpunkt
Kirsten Bobzin
Am IOT wird aktive Forschungs- und Entwicklungsarbeit auf den Gebieten
PVD/CVD-Technologie und Thermisches Spritzen, Hartlöten und Auftraglöten sowie bei der Modellierung und Simulation dieser Prozesse betrieben. Zu den einzelnen Technologien werden werkstoffwissenschaftliche
Grundlagen erarbeitet und in angewandte Werkstofftechnologien von der
Projektidee über komplette Systemlösungen bis hin zur Nullserienfertigung
umgesetzt. Dies geschieht stets in enger Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen. Zu unseren Dienstleistungen gehören neben der Werkstoffentwicklung, der Prozessoptimierung, der Verfahrens- und Qualitätssicherung vor allem die Entwicklung und Applikation von Beschichtungs- und
Lötsystemen. Das Spektrum der zu verarbeitenden Werkstoffe erstreckt
sich von Reinmetallen, Metall-Legierungen, intermetallischen Werkstoffen
und Hartmetallen über Oxid- und Sonderkeramiken, Cermets, Hartstoffen,
Hartlegierungen, faserverstärkten Materialien bis hin zu Polymeren.
Das Institut umfasst insgesamt vier Forschungs- und Entwicklungsbereiche:
IOT - Institut für Oberflächentechnik
Kackertstraße 15
52072 Aachen
Tel.: +49 241/80-95329
Fax: +49 241/80-92941
[email protected]
www.iot.rwth-aachen.de
»» Löttechnologie
»» Thermisches Spritzen
»» PVD-Werkzeugbeschichtung
»» PVD-Bauteilbeschichtung
Maschinenbau, Produktionstechnik, Energietechnik, Oberflächentechnik
»» Schwerpunkte
Oberflächentechnik, Beschichtungstechnik, Tribologie, Korrosion,
Löttechnik
»» Personal
1 Professorin, 2 Obering./-innen, 15 wiss. Mitarbeiter/-innen,
31
»» DFG SFB-TR 87 „Gepulste Hochleistungsplasmen zur Synthese
nanostrukturierter Funktionsschichten“ TP A1, A4, C6
»» Cluster of Excellence „Integrative Production Technology for HighWage Countries“
Project C3: Integrated Technologies - Multi-Technology Products
Vergleich von CrAlN-Beschichtungen aus DC-, MF- und HPPMSBeschichtungverfahren
Spritzgegossene Strukturen mit einem unbeschichteten (links) und einem
beschichteten (rechts) Werkzeugeinsatz in einem konventionellen Spritzgussverfahren
»» AIF/FVV/FVA-Forschungscluster „Low Friction Power Train“
»» DFG „Funktionalisierung inerter Hochleistungskeramiken mittels
bioaktiver Auftraglötbeschichtung“
Reibungskoeffizienten unterschiedlicher Schmierstoffe gegen unterschiedliche Beschichtungen ermittelt in einem Pin-on-Disk Tribometer
Skizze einer Hüftgelenksprothese mit einer cytokompatiblen Titan-Kobaltbasis Auftraglötschicht
32
»» Hopmann Ch., Michaeli W., Eilbracht S., Bobzin K., Bagcivan N.,
Theiß S., Hartmann C., Holtkamp J., Gillner A., Mayer J.:
Extrusion embossing of hydrophobic films– a study on process characteristics and surface properties;
Journal of Plastics Technology 8 (2012) 3 302-330
»» Bobzin K., Bagcivan N., Kopp N., Puidokas S.M. , Tillmann W., Wojarski L., Liu C., Manka M.:
Influence of Dynamic Stresses and Operating Environment on the Mechanical Properties of Copper- Based Braze Joints,
Proceedings IBSC, 22-25.04.2012, Las Vegas, USA
»» Bagcivan N., Bobzin K., Theiß S.:
Comparison of (Cr0.75Al0.25)N Coatings Deposited by Conventional and
High Power Pulsed Magnetron Sputtering;
Contrib. Plasma Phys. 52, No. 7, 601-606 (2012)
»» Bobzin K., Kopp N., Warda T., Petkovic I., Schäfer M., Landes K.D.,
Forster G., Zimmermann S., Marques J-L., Kirner S., Kauffeldt M., Schein
J.:
Particle In-Flight and Coating Properties of Fe-Based Feedstock Materials
Sprayed with Modern Thermal Spray Systems;
Journal of Thermal Spray Technology, JTTEE5, DOI: 10.1007/s11666012-9853-z
»» Bobzin K., Kopp N., Warda T., Öte M.:
Determination of the Effective Properties of Thermal Spray Coatings Using
2D and 3D Models,
Journal of Thermal Spray Technology, JTTEE5, DOI: 10.1007/s11666012-9809-3
33
Werkzeugmaschinenlabor
Lehrstuhl für
Werkzeugmaschinen
Christan Brecher
»»
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»»
WZL - Werkzeugmaschinenlabor
Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen
Steinbachstraße 19
52074 Aachen
Tel.: +49 241/80-27408
Fax: +49 241/80-22293
[email protected]
www.wzl.rwth-aachen.de
Fertigungstechnik
»» Schwerpunkte
Maschinentechnik, Steuerungstechnik und Automatisierung,
Getriebetechnik
»» Personal
34
Konstruktion und Berechnung von Produktionsanlagen
Maschinenuntersuchung und -beurteilung
Auslegung und Untersuchung von Maschinenkomponenten
Steuerungs- und Antriebstechnik
Automatisierung
Informationstechnik und -management
aavifa- Kundenspezifische Softwarelösungen
Verzahnmaschinen und Getriebeberechnung
Getriebeuntersuchungen
»» Sielectric Powertrain
Im von der Siemens AG geförderten Forschungsbereich Sielectric Powertrain werden Methoden und Modelle zur nachhaltigen Optimierung des
elektrischen Antriebsstrangs für PKWs erforscht. Im Verbund sind neben
dem WZL mehrere RWTH-Institute (IEM, ika, IME, ISEA) vertreten.
Im weiteren Verlauf wird die Auswahl der Komponenten und der Identifikation der Anforderungen an die Prozesse der Fahrzeughersteller (OEM)
angepasst, sodass diese bei der Auswahl ihrer marken- und produktspezifischen Eigenschaften (z.B. Fahrverhalten, Akustik, Effizienz) unabhängig von der Grunddynamik des Antriebsstrangs (z.B. Eigenfrequenz und
Dämpfung) wählen können.
Aufgabe des WZL ist u.a. die Entwicklung einer Methodik zur parameterbasierten Auslegung des elektrifizierten Antriebsstrangs. Ziel ist hierbei die
Ableitung eines Auslegungsvorschlags für verschiedene Komponenten
des Antriebsstrangs (wie Umrichter, Elektromotor und Getriebe) auf Basis
relevanter Eingangsparameter (wie bspw. maximales Drehmoment, Energieverbrauch, Höchstgeschwindigkeit)berechnet wird. Als Voraussetzung
dazu wird auch ein geeignetes, realitätsnahes Modell des Getriebes entwickelt, welches sämtliche Effekte wie Reibung, Steifigkeiten und Wirkungsgrade berücksichtigt. Sämtliche für das Fahrverhalten relevanten Komponenten des Fahrzeugs werden in einem Gesamtfahrzeugsimulationsmodell
zusammengefügt und können anschließend mit verschiedenen Fahrzyklen
(z.B. der Simulation einer Autobahnfahrt) beaufschlagt werden. Die Simulationsergebnisse (z.B. Energieverbrauch je 100 km, Steigungsfähigkeit)
können daraufhin für die Auswahl geeigneter Komponenten berücksichtig
werden.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Stephan C. Gsell
Telefon 0241-80-28234
E-Mail: [email protected]
35
»» Brecher, C.; Triebsd, J.; Heyers, C.; Jasper, D.:
Mit Energieeffizienzlösungen verborgene Schätze heben
in: VDW Branchenreport (2012) 11, s. 16-18
»» Brecher, C.:
Intergrative Production Technology for Hig-Wage Countries
Springer Verlag Berlin 2012, ISBN 978-3-642-21066-2
»» Brecher, C.; Breitbach, T.; u. a.:
3D Assembly Group Analysis for Cognitive Automation
in: Journal of Robotics (2012) Article ID 375642, ISSN 1687-9619, S. 18
»» Brecher, c.; Kolster, D.; Herfs, W. u. a.:
Plug and play device integration for industrial automation with instant
machine visualization using RFID technology
in: Production engineering - Research and Development 6 (2012) 2, S.
179-186
»» Brecher, C.; Verl, A.:
Modell und Realität - Wann ist ein Modell gut genug, wann bringt es
Mehrwert?
in: wt Werkstattstechnik online 102 (2012) 5, S. 260-261
36
Institut für Werkstoffanwendungen
im Maschinenbau
Das Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau beschäftigt sich mit
einer Vielzahl metallischer und keramischer Werkstoffe, ihrer materialgerechten konstruktiven Verwendung und mit der mikrostrukturellen, fraktographischen, mechanischen und korrosiven Charakterisierung dieser Materialien.
Christoph Broeckmann
Für diese Zwecke verfügt das Institut im Bereich der Prozesstechnik über ein
voll eingerichtetes keramisches/pulvermetallurgisches Technikum mit zahlreichen Hilfs- und Nebengeräten zur Aufbereitung, Formgebung und Sinterung von Keramik, Stahl und Hartmetallen. Hierzu gehören eine Heißisostatische Presse und eine SPS-Anlage, die 2011 in Betrieb genommen wurde.
Augustinerbach 4
52062 Aachen
Die Werkstoffcharakterisierung umfasst u.a. mechanische Prüffelder für Kriechbeanspruchung, quasistatische Prüfung, Schlagbelastung und zyklische Beanspruchungen, Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie und Korrosionsprüfung.
[email protected]
www.iwm.rwth-aachen.de
IWM - Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau
Tel.: +49 241/80-95315
Fax: +49 241/80-92321
Ein weiterer Schwerpunkt umfasst die Schadensuntersuchung metallischer
Bauteile. Die FE-Simulation spielt im Institut eine bedeutende Rolle nicht
nur im konstruktiven Entwurf und Sicherheitsnachweis sondern auch bei
der Simulation und Optimierung von Herstellungsprozessen.
Bachelor Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen,
Materialwissenschaften ,
Master Allgemeiner Maschinenbau, Produktionstechnik, Biomedical
Engineering
»» Schwerpunkte
Werkstofftechnik Metalle und Keramik
»» Personal
37
»» Simulation der Ermüdungsrissausbreitung in Hartmetall
Der experimentelle Teil beinhaltet die Prüfung der Schwingfestigkeiten eines für die Zahnradherstellung geeigneten Sinterstahls unter Berücksichtigung der Einflüsse von Dichte und Kohlenstoff. Die verschiedenen Probenserien werden dazu in unterschiedlichen Dichten (7,0 g/cm3, 7,3 g/cm3
und 7,8 g/cm3) ausgeführt und basieren auf einem Stahlpulver mit 0,85
Gew. % Molybdän und der Zugabe von 0,2 %, 0,4 % und 0,8 % Kohlenstoff.
Hartmetalle sind Verbundwerkstoffe aus einer harten und verschleißbeständigen Phase, wie z.B. Wolframkarbid (WC) und einer duktilen metallischen Bindephase z.B. Kobalt (Co). Die mechanischen Eigenschaften
werden weitestgehend vom Bindergehalt dominiert. Der Bindergehalt kann
dabei über einen weiten Bereich variieren (3 – 40 Masse%). So führt ein
geringer Anteil metallischer Bindephase eher zu spröden Materialverhalten,
wohingegen ein hoher Anteil zu ausgeprägter Zähigkeit und Duktilität führt.
Wegen der sehr hohen Härte werden WC/Co Hartmetall vorrangig für Zerspanungswerkzeuge verwendet. Solche Werkzeuge unterliegen meist einer alternierenden zyklischen Belastung und versagen unter Langzeitbeanspruchung durch Schwingungsrißbildung in der metallischen Binderphase.
Für eine sicherere Vorhersage der Langzeitzuverlässigkeit von Hartmetallbauteilen sind das Verständnis und die Beurteilung von Rißenstehung
und -ausbreitung von besonderem Interesse und werden daher am IWM
erforscht. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Finiten-Elemente-Analyse
bzw. der Entwicklung geeigneter Modelle zur Vorhersage des Schadensverlaufs unter Berücksichtigung der Mikrostruktur. Untersucht wird insbesondere der Einfluss von Karbidgehalt, Spannungsverhältnis und –niveau
auf das Rissausbreitungsverhalten unter schwingender Beanspruchung.
Abb. 1 a zeigt den Risspfad im Gefüge einer Hartmetallqualität mit hohem
Karbidanteil nach einer Dauerfestigkeitsprüfung, der mit Hilfe geeigneten
Schädigungsmodelle numerisch sehr gut abgebildet (Abb. 1 b) werden
kann. Zukünftige Schwerpunkte liegen im der Übertragung der bisherigen
Forschungsergebnisse auf dreidimensionale Strukturen.
Abb.2: Simulierte Dichteverteilung und Einfluss der Dichte auf die Dauerfestigkeit
»» DFG - Reaktivlöten von Metall-Keramik-Verbunden
Das Reactive Air Brazing (RAB) ist eine wichtige Entwicklung in der
Hochtemperatur-Fügetechnik von Keramiken. Mit RAB ist es möglich, keramische Werkstoffe mit metallischen Loten in Luftatmosphäre zu fügen,
ohne sie vorher zu metallisieren. Somit ist diese Technologie insbesondere interessant für spezielle Funktionskeramiken, wie beispielsweise
Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF), welcher aufgrund thermodynamischer Instabilität bei niedrigen Sauerstoffpartialdrücken und gleichzeitig
hohen Temperaturen nicht mit konventionellen Verfahren gelötet werden
kann. BSCF wird am Institut als Sauerstoffmembran für Oxyfuelprozesse
eingesetzt. Das bei RAB am häufigsten verwendete Lot-System ist das AgCuO-System. Dabei ist der CuO-Anteil entscheidend für die Benetzbarkeit
der Keramik. Im Fall von BSCF-Verbunden mit Hochtemperaturlegierungen bildet das CuO große Reaktionsschichten mit Elementen des Stahls
sowie der Keramik. Diese Schichten wachsen bei einem HochtemperaturLangzeitbetrieb der Verbunde weiter und verändern sich in ihrer Struktur.
Aus der mechanischen Prüfung von isotherm gealterten Proben lassen
sich Rückschlüsse auf die Abhängigkeit der mechanischen Festigkeit der
Verbunde von diesen Mikrostrukturveränderung im Grenzflächenbereich
ziehen. Zudem wird die Beurteilung zeitabhängiger Änderungen der Versagensmechanismen ermöglicht.
Ergänzend wird mithilfe der Finite-Elemente-Methode das (Langzeit-) Festigkeitsverhalten der Verbunde simuliert. Bei der Erstellung eines geeigneten Modells werden erstmalig auch die entstehenden Diffusionsschichten
und deren Veränderungen berücksichtigt.
Abb. 1: Rissverlauf in einer zyklisch belasteten Probe (a)
Experiment (b) Simulation
»» DFG - Randschichtdesign pulvermetallurgisch hergestellter Zahnräder
Pulvermetallurgische Herstellungsverfahren tragen durch die Möglichkeit
endkonturnaher Fertigung bei variablen Bauteildichten zur Ressourcenschonung und damit zur Nachhaltigkeit im Maschinenwesen bei. Gerade
in Zeiten knapper Ressourcen wird diesem Umstand eine hohe Bedeutung
beigemessen. Durch die Entwicklung neuer Auslegungsverfahren für PMBauteile sollen diese Vorteile weiter ausgeschöpft werden.
Abb. 3: REM-Gefügeaufnahme eines RAB-Lötverbundes
Die Forschungsarbeiten am IWM befassen sich u.a. mit der Optimierung
des Dichteprofils von oberflächenverdichteten, pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrädern. Dazu werden Vorgehensweisen zur Berechnung der
Bauteilfestigkeit von Sintermetall-Bauteilen entwickelt. Ein Schwerpunkt
befasst sich mit der Frage, inwieweit örtliche Gefügeänderungen wie Dichte- und Kohlenstoffgradienten – welche durch die Nachverdichtung der
Zahnradoberfläche bzw. durch die Einsatzhärtung hervorgerufen werden
– in die Berechnung mit einbezogen werden können.
Eine verbesserte Auslegungsmethodik mit Berücksichtigung solcher Gradienten wird die Zahnräder bezüglich der Tragfähigkeit und des Gewichts
optimieren.
38
»» Keusemann, S., Broeckmann, C., Beiss, P.:
A Synthetic Haigh Diagram for Sintered Structural Steels, Intern.
Journal of Powder Metallurgy, 48, [5], 41-47 (2012)
»» Eser, A., Bezold, A., Broeckmann, C., Kozeschnik, E., Simsir, C.:
Tempering of Tool Steels- a multiscale simulation.
Proc. Tool 2012, Leoben, 513-521 (2012)
»» Pfaff, E. M.; Kaletsch, A.; Broeckmann, C.:
Design of a Mixed Ionic/Electronic Conducting Oxygen Transport Membrane Pilot Module,
Chemical Engineering & Technology 35 (3), 455-463 (2012)
»» Özden, U. A., Bezold, A., Broeckmann, C.:
Numerical Simulation of the Mesoscale Fatigue Crack Propagation in WC/
Co under Plane Stress Conditions,
Proc. 19th Int. Eur. Conference on Fracture (ECF19), 318, Kazan (2012)
»» A. Kaletsch, A. Bezold, E.M. Pfaff, C. Broeckmann:
Effects of copper oxide content in the AgCuO braze alloy on microstructure and mechanical properties of reactive air brazed
Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF)
Journal of Ceramic Science and Technology, 3, [2], 95-104(2012)
39
Aachener
Verfahrenstechnik
Bioverfahrenstechnik
Jochen Büchs
Die Forschungsschwerpunkte der AVT.BioVT bilden die Beschreibung und
Charakterisierung geschüttelter Kleinkultursysteme, die Fermentationstechnologie und die Entwicklung neuer Methoden zur online-Prozessanalyse und -überwachung in allen (Bioreaktor-) Maßstäben.
AVT.BioVT - Aachener Verfahrenstechnik Bioverfahrenstechnik
Folgende Forschungsgebiete werden augenblicklich schwerpunktmäßig
bearbeitet:
Worringer Weg 1
52074 Aachen
»» Screening- und Kleinkultursysteme:
In den ersten Screening-Stufen biotechnologischer Entwicklungsarbeit
werden in großer Zahl Schüttelreaktoren eingesetzt, da hier sehr viele Versuche parallel und in kurzer Zeit durchgeführt werden müssen.
Der Lehrstuhl ist eine der international führenden Forschungsinstitutionen in der verfahrenstechnischen Charakterisierung von Schüttelreaktoren und der Entwicklung von entsprechender online-Messtechnik.
Tel.: +49 241/80-23569
Fax: +49 241/80-22570
[email protected]
www.avt.rwth-aachen.de
»» Fermentationstechnologie:
Dieser Bereich umfasst Stofftransportphänomene, das Scale-up sowie die Bilanzierung, Regelung und modellhafte Beschreibung von Fermentations- und
Biotransformationsprozessen. Der Lehrstuhl besitzt einen weltweit einmaligen 10 bar Druckfermenter, der zum Reaktorkalorimeter erweitertet wurde.
Verfahrenstechnik
»» Schwerpunkte
Bioverfahrenstechnik
»» Bioverfahrenstechnik viskoser Systeme
Die Bioverfahrenstechnik viskoser Fermentationssysteme stellt allgemein
einen neuen Forschungsschwerpunkt an der AVT.BioVT dar. Derartige viskose Systeme werden nun verfahrenstechnisch sowohl in geschüttelten Kleinkultursystemen als auch in Rührreaktoren untersucht und charakterisiert.
»» Personal
»» Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse (TMFB):
Die AVT.BioVT beteiligt sich am TMFB-Exellenzcluster und fokussiert sich
dabei auf folgende Gebiete: Screening nach geeigneten Biokatalysatoren,
direkte fermentative Umsetzung von grüner Biomasse zu Plattformchemikalien und in-situ Produktaufarbeitung.
Prof. Büchs leitet das Graduiertenkolleg „Biocatalysis in non-conventional
media (BioNoCo)“ und ist stellvertretender Sprecher des internationalen
Graduiertenkollegs SeleCa mit der Osaka Universität/Japan.
40
»»
Effektives Screening mit Fed-Batch Schüttelkolben
»» Reaktorkalorimetrie
In der traditionellen Bioprozessentwicklung werden Screening Experimente
üblicherweise in Schüttelkolben oder Mikrotiterplatten (MTP) in der Batch
Betriebsweise durchgeführt. Produktionsprozesse hingegen finden mehrheitlich in der Fed-Batch Betriebsweise statt um den Anforderungen nach
hoher Zelldichte und Produktausbeute zu genügen. Die hier am Institut entwickelten Fed-Batch Schüttelkolben schließen genau diese existierende
Lücke an Fed-Batch Screening Systemen. Mittels eines diffusionsgetriebenen Reservoirs, das einen gewünschten Nährstoff, ein pH-Stellmittel oder
einen Induktor enthält, wird ein Fed-Batch Prozess nachgestellt. Der Fokus
liegt darin, optimale Umgebungsbedingungen zu gewährleisten um die
Produktivität des Stamms zu vergrößern. Um die Vorteile des Systems zu
zeigen, wurde es mit dem Respiration Activity Monitoring System (RAMOS)
kombiniert, sodass eine online Überwachung der Atmungsaktivität sowie
metabolischer Phänomene gewährleistet wird. Vor allem eine Sauerstofflimitierung kann mittels dieser Messtechnik erkannt werden.
Die Reaktorkalorimetrie stellt eine leistungsstarke, nicht-invasive online
Messtechnik für viele Arten der biotechnologischen (oder chemischen) Produktbildung dar und kann eine wertvolle Ergänzung bzw. eine ökonomische
Alternative zur etablierten online Überwachung wie z.B. der Abgasanalytik
sein. Sie ermöglicht es sogar, die Produktbildung online zu verfolgen bei
Systemen, für die etablierte Methoden nicht zur Verfügung stehen.
Biologische Aktivität wie z.B. Biomasse- oder Metabolitbildung erzeugt
Wärme aufgrund von Energieverlusten bei der biochemischen Umsetzung.
Die während eines Fermentationsprozesses anhand von Biokalorimetrie
gemessene Wärmebildung indiziert – als Funktion der Lebensbedingungen
und des aktuellen metabolischen Status der kultivierten Mikroorganismen –
ob Biomasse und / oder Produkt gebildet wird.
Infrarotaufnahme des Reaktorkalorimeters um Wärmeverluste zu
detektieren
Die Durchführbarkeit dieses Konzepts wurde anhand einer Glucose limitierten Fed-Batch Kultivierung demonstriert, bei der ein 1000-facher Anstieg
in der Produktbildung von rekombinanten E. coli gegenüber dem stark
reprimierten Batch Prozess erzielt wurde. Andere positive Effekte liegen
in der minimierten Nebenproduktbildung, der Vermeidung eines Overflow
Metabolismus und moderaten pH Änderungen. Darüber hinaus wird durch
die hohen Füllvolumina in Schüttelkolben im Vergleich zur MTP nicht nur
Verdunstung verringert, sondern auch eine erhöhte Probenahme zur Offline Analyse oder Produktaufarbeitung erreicht.
Insgesamt ermöglicht das Fed-Batch Schüttelkolben System eine gute Vorhersage von optimalen Stämmen und Prozessbedingungen und generiert
eine solide Basis für weitere Prozessentwicklungen in maßstabsvergrößerten Reaktoren.
A) Die Adaption der Schüttelkolben von Batch auf Fed-Batch Betriebsweise ermöglicht ein effektives Screening. B) Eine verbesserte Stammcharakterisierung wird durch die Kombination der Fed-Batch Schüttelkolben mit
der RAMOS Technologie gewährleistet.
Vor kurzem wurde am Lehrstuhl ein 50 L Pilotmaßstab Druckfermenter
für die Nutzung als Biokalorimeter aufgerüstet. Eine Analyse des Temperaturkontrollsystems ermöglicht es, die benötigte Kühlenergie und somit
die Gesamtwärmeerzeugung im Fermenter zu bestimmen. Wenn man die
anderen Wärmequellen und –senken in Betracht zieht, wie z.B. den mechanischen Leistungseintrag des Rührers und den Wärmeverlust an die
Umgebung, wird eine eindeutige Überwachung der metabolischen Aktivität des Mikroorganismus und damit des Fermentationsprozesses möglich.
Der Austausch früherer diskret schaltender Ventile des Kühlsystems gegen
kontinuierlich betriebene Ventile bietet die Möglichkeit, sogar geringe Wärmeströme aus dem Bioprozess genau zu erfassen.
Ziel dieses Projektes ist es, eine einfach anwendbare, ökonomische, universelle und nicht invasive online Überwachungstechnik für die Herstellung
von Massenprodukten mit biotechnologischen Systemen in Pilot- und Produktionsfermentern mittels Biokalorimetrie zu entwickeln.
41
»» C. Bähr, B. Leuchtle, C. Lehmann, J. Becker, M. Jeude, F. Peinemann, R. Arbter, J. Büchs:
Dialysis shake flask for effective screening in fed-batch mode,
Biochemical Engineering Journal, 69 (2012) 182-195.
»» E.-M. Siepert, E. Gartz, M.K. Tur, H. Delbrück, S. Barth, J. Büchs:
Short-chain fluorescent tryptophan tags for on-line detection of functional
recombinant proteins,
BMC biotechnology, 12 (2012).
»» G. Jäger, J. Büchs:
Biocatalytic conversion of lignocellulose to platform chemicals,
Biotechnology Journal, 7 (2012) 1122-1136.
»» M. Kunze, R. Huber, C. Gutjahr, S. Müllner, J. Büchs:
Predictive tool for recombinant protein production in Escherichia coli
shake flask cultures using an on-line monitoring system,
Biotechnology Progress, 28 (2012) 103-113.
»» W. Klöckner, J. Büchs:
Advances in shaking technologies,
Trends in Biotechnology, 30 (2012) 307-314.
42
Institut für
Getriebetechnik und
Maschinendynamik
Die
des
Instituts
für
technik und Maschinendynamik gliedern sich in drei Bereiche:
Burkhard Corves
Dr.-Ing.
Mathias Hüsing (Stellv.)
Getriebe-
»» Getriebetechnik und mechatronische Antriebstechnik
»» Maschinendynamik und Schwingungstechnik
»» Robotik und Handhabungstechnik
IGM - Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik
Kackertstraße 16-18
52072 Aachen
»» Produktorientiert:
Bewegungseinrichtungen in der Verpackungs-, KFZ-, Land- und Baumaschinentechnik, ebene, sphärische und räumliche Kurvengetriebe, mechatronische Bewegungssysteme, elektronische Kurvenscheibe, Scheibenwischergetriebe, Verdeckmechanismen von Cabriolets, Radaufhängungen
und Fahrdynamik, parallele und serielle Roboter, Handhabungseinrichtungen, Greifersysteme für Handhabungsgeräte sowie Rechnerprogrammentwicklung, -anpassung und -erweiterung
Tel.: +49 241/80-95553
Fax: +49 241/80-92263
[email protected]
www.igm.rwth-aachen.de
»» Methodenorientiert:
Auswahl der Bewegungseinrichtung (Struktursynthese), Festlegung
der Getriebeabmessungen (Maßsynthese), Festlegung von Bewegungsabläufen (Bahnplanung, Bahndesign), Auslegung von Kurvengetrieben, 3D-Simulation der Kinematik und Dynamik von Bewegungseinrichtungen (Analyse und Optimierung), Empfindlichkeits- und
Toleranzanalyse, Toleranzsynthese, Toleranzmanagement, Schwingungsuntersuchungen, Maßnahmen zur Schwingungsminderung, 3D-Messungen mittels Koordinatenmesssystem, Schwingungs- und Beanspruchungsmessungen, Massen- und Leistungsausgleich, Unwucht und Rotordynamik
Konstruktion und Entwicklung, Verkehrstechnik,
Grundlagen des Maschinenbaus
»» Schwerpunkte
In Lehre und Forschung befasst sich das IGM mit der Kinematik und
Dynamik von Maschinen und Bewegungseinrichtungen, mit der Antriebstechnik sowie Robotik.
»» Lehrveranstaltungen:
Elektromechanische Antriebstechnik; Bewegungstechnik; Grundlagen der Maschinen- und Strukturdynamik; Maschinendynamik starrer Systeme; Bewegungsmesstechnik; Multi Body Dynamics; Dynamic of Machines; Kinematik, Dynamik und Anwendungen in der
Robotik; Dynamik der Mehrkörpersysteme; Maschinengestaltung III
»» Personal
Lehr- und Forschungsinhalte sind auf der IGM-Webseite dargestellt.
43
»» Verbesserung der Performance eines Delta-Roboters für High-SpeedAnwendungen
Abb.2: Variation des Faltmusters Miura-Ori
In Kooperation mit der Weber Maschinenbau GmbH (Breidenbach) wird am
IGM ein Prüfstand für einen Deltaroboter betrieben. Ziel der Zusammenarbeit ist die Verbesserung der High-Speed-Performance, wobei alle Randbedingungen hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Arbeitsraums (Abb.1),
der Picks pro Minute sowie des Überschwingverhaltens eingehalten werden
müssen. Im Rahmen des Projekts wurden Verbesserungen auf mehreren
Ebenen erzielt. Die Optimierung der mechanischen Struktur, d.h. sowohl
der kinematischen Parameter wie auch der Bauteildimensionierung, wird
mittels eines trajektorienbasierten Maßsyntheseverfahrens durchgeführt.
Zur Bewertung wird einerseits ein kinetostatisches Modell zur Berechnung
der Antriebsmomente, andererseits ein Steifigkeitsmodell zur Berechnung
der Systemverformung aufgrund von Trägheitskräften verwendet. Auf der
Steuerungsebene wurden die Ergebnisse aus der kinetostatischen Modellierung adaptiert, so dass eine Vorsteuerung der Antriebsmomente erfolgen
kann. Neben einer simulativen Reglerparametrisierung wurden ebenfalls
auf den Prozess optimierte Kalibrierungsverfahren entwickelt, welche zu
einer Steigerung der Absolutgenauigkeit des Roboters beitragen. Die Kombination aller genannten Maßnahmen führte zu einer enormen Steigerung
der statischen und dynamischen Genauigkeit. Aktuelle Forschungsfragen
beschäftigen sich mit einer echtzeitfähigen Bahnplanung, welche die positionsabhängigen Kraft- und Geschwindigkeitsübertragungseigenschaften
eines Parallelmanipulators berücksichtigt. Hierbei kann eine maximale Momenten- und Geschwindigkeitsausnutzung der Antriebe realisiert werden,
was zu einer Maximierung der Energieeffizienz und Systemperformance
beiträgt.
»» Untersuchung des Einflusses geometrischer Parameter auf das
Fahrverhalten von Einspurfahrzeugen
Im Rahmen eines Projekts am IGM wird ein Mehrkörpersimulationsmodell
eines Einspurfahrzeugs erstellt. Das Modell dient der Untersuchung von
Einflüssen geometrischer Parameter auf das fahrdynamische Verhalten
von Mountainbikes (MTB). Das Fahrverhalten von MTB wird heutzutage
hauptsächlich durch das subjektive Empfinden von Testfahrern beurteilt.
Ziel der Arbeit ist es technische Größen festzulegen und Kennzahlen zu ermitteln, um in Zukunft dieses Verhalten auch objektiv beurteilen zu können.
Zudem dient es der Betriebslastenermittlung und liefert somit die Grundlage zur rechnergestützten Auslegung von MTBs.
Das am IGM entwickelte Mehrkörpersimulations-Modell des MTBs ist vollständig parametrisiert aufgebaut, so dass zum Beispiel der Einfluss von
verschiedenen Rahmengeometrien oder Laufradgrößen durch Parameterstudien untersucht werden kann. Da bei dem System „Fahrer-Mountainbike“ der Fahrer ca. 90 % der Gesamtmasse des Systems einnimmt,
wird dieser ebenfalls für die Mehrkörpersimulation abgebildet, um seinen
Einfluss einzubeziehen. Die Gliedmaßen werden als Starrkörper erzeugt
und unter Verwendung anthropologischer Daten parametrisiert. Die Beweglichkeit zwischen den einzelnen Gliedmaßen wird mittels Festlegung
bestimmter Bewegungsfreiheitsgrade und der Nutzung von Feder-Dämpfer-Elementen hergestellt. Die Anregung des Fahrwerks erfolgt durch Unebenheiten, über die die Reifen abrollen. Die Fahrbahnunebenheiten werden mittels einer Fouriertransformation und unter zu Hilfenahme spektraler
Unebenheitsdichten für unbefestigte Wege erzeugt. Der Antrieb durch den
Fahrer erfolgt über einen Regelkreis, so dass dieser mit einem definierten
Geschwindigkeitsprofil fährt. Auch für die Kurvenfahrt wird eine Regelung
verwendet, die den Neigungswinkel an die Fahrsituation anpasst.
Abb.1: Optimierung des Arbeitsraum eines Delta-Roboters
»» Fold-In - Folding Innovations: Basics, Design, Applications, Visions
Das Prinzip der Faltung tritt in der Natur häufig dort auf, wo dünne Strukturen verstärkt oder große Flächen kompaktiert werden müssen. Im Rahmen des vom ERS, aus Mitteln der Exzellenzinitiative des Bundes und der
Länder, geförderten Projekts Fold-In soll eine ganzheitliche Betrachtung
gefalteter und faltbarer Strukturen erfolgen.
In einem interdisziplinären Konsortium wird das Potential von Faltungen
erforscht um anschließend gezielt in technischen Systemen Anwendung zu
finden. Die Vorteile können von Materialersparnis und Effizienzsteigerung
im Leichtbau über Anpassungsfähigkeit an veränderte Bedingungen bis zur
Übernahme neuer Funktionen durch verwandelte Strukturen reichen.
Schwerpunkte der Arbeit am IGM sind: die systematische Beschreibung
und Klassifikation von gefalteten und faltbaren Strukturen, die Modellierung
von faltbaren Strukturen und Methoden zur Auslegung faltbarer Strukturen.
Abb. 3: Mehrkörpersimulationsmodell eines Mountainbikes (MTB) mit
Fahrer
44
»» Corves, B.; Detert, T.; Kurtenbach, S.; Riedel, M.:
Evaluation of drive train concepts for a 3-DOF robotic structure.
In: Proceedings of the RAAD 2012, 21th International Workshop on
Robotics in Alpe-Adria-Danube Region, September 10-13, Napoli, Italy.
ISBN: 978-88-95430-45-4, S.: 49-56.
»» Allmendinger, F.; Eschweiler, J.; Radermacher, K.; Corves, B.:
On motion and force transmission in the human wrist: Approximating
carpal bone surfaces with envelopes
In: New Trends in Mechanism and Machine Science : Theory and
Applications in Engineering: Springer, 2012. - (Springer eBook Collection:
Engineering).- ISBN: 978-94-007-4901-6, 978-94-007-4902-3.- ISSN:
2211-0984, 2211-0992., S./Art.: 421-429
»» Mannheim, T.; Riedel, M.; Hüsing, M.; Corves, B.:
Konzipierung eines verstellbaren statischen Ausgleichs für einen Roboter
mit parallelkinematischer Struktur.
In: 16. VDI-Getriebetagung mit Fachausstellung, Bewegungstechnik 2012,
11. und 12. September 2012, Nürtingen bei Stuttgart. (VDI-Berichte ;
2175). ISBN: 978-3-18-092175-4. ISSN: 0083-5560, S.: 19-30
»» Ivanov, I.; Corves, B.:
Ein Ansatz zur Charakterisierung stoffschlüssiger Gelenke zwecks optimaler Auslegung eines Mikromanipulators.
In: 16. VDI-Getriebetagung mit Fachausstellung, Bewegungstechnik 2012,
11. und 12. September 2012, Nürtingen bei Stuttgart. (VDI-Berichte ;
2175). ISBN: 978-3-18-092175-4. ISSN: 0083-5560, S.: 45-56.
»» Barej, M.; Hoffmann, S.; Buffart, H.; Hüsing, M.; Corves, B.; Trautz, M:
Approaches for Modeling of Deployable Folded Plate Structures
In: 15th International Conference on Geometry and Graphics (ICGG), 1-5
August 2012, Montreal, Canada, Paper 60.
45
Institut für
Schienenfahrzeuge und
Fördertechnik
Torsten Dellmann
Die Arbeiten des IFS konzentrieren sich im Schienenfahrzeugbereich im
Wesentlichen auf die Gebiete der Fahrwerkstechnik und intelligenter Betriebsverfahren. Dabei werden im Bereich Fahrwerkstechnik insbesondere
die Fragestellungen des Treibens und Bremsens sowie der Spurführung
behandelt. Die Wechselwirkungen zwischen Antrieb und Spurführung werden schon seit vielen Jahren am IFS untersucht. Weitere Forschungstätigkeiten gelten der Komfortverbesserung und der Entwicklung innovativer
Bremskonzepte. Das Forschungsgebiet Betriebsverfahren beschäftigt sich
mit der Automatisierung des Bahnverkehrs. Ein aktueller Schwerpunkt ist
der Einsatz von Navigationssystemen in der Bahntechnik.
IFS - Institut für Schienenfahrzeuge und Fördertechnik
Seffenter Weg 8
52074 Aachen
Tel.: +49 241/80-25563
Fax: +49 241/80-22145
[email protected]
www.ifs.rwth-aachen.de
Bei der Entwicklung und Erprobung kann am IFS auf simulative und experimentelle Hilfsmittel zurückgegriffen werden. So werden neue Konzepte
zunächst in der Computersimulation mit Matlab/Simulink sowie mit dem
stark auf die Problemstellung der Schienenfahrzeuge abgestimmten Mehrkörper-Simulations-Programm Simpack überprüft. Werden die Konzepte
weiter auf eine Realisierung hin entwickelt, so können sie auch auf Prüfständen (Rollprüfstand, Kraftschlussprüfstand, Messgleis, Katapultanlage
u. a.) in der Versuchshalle des Instituts erprobt werden. Ebenso können
auch Fahrzeugversuche auf dem Testgleis des Institutsgeländes durchgeführt werden. Es besteht ein Anschluss an das Netz der DB AG im Bahnhof
Aachen West. Für weitergehende Testfahrten besteht eine Nutzungsvereinbarung für den Testring des Prüfcenters in Wegberg-Wildenrath.
Maschinenbau (Bachelor) und Masterstudiengänge Maschinenbau sowie
Wirtschaftsingenieurwesen FR Maschinenbau: Masterstudiengang Fahrzeugtechnik und Transport mit der Vertiefung Schienenfahrzeuge und der
Vertiefung Fördertechnik.
Im Interdisziplinären Bachelor- und Masterstudiengängen Mobilität und
Verkehr (Bauing./Fak. 3): Grundlagenvorlesungen
Im Rahmen der Vorlesungen und Übungen wird den Studierenden das Wissen in den Modulen Schienenfahrzeuge, Fördertechnik und Mechatronik
vermittelt. Studierende, die z. B. mit Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten
beschäftigt sind, sowie studentische Hilfskräfte, werden in die Arbeiten an
den Forschungsprojekten mit einbezogen. Bei der Vermittlung von Praktikantenstellen helfen die zahlreichen Kontakte zu Firmen und Institutionen
der Schienenfahrzeugbranche.
»» Schwerpunkte
Forschung und Lehre auf den Gebieten der Schienenfahrzeuge und der
Fördertechnik
»» Personal
1 Professor, 0 Obering., 9 wiss. Mitarbeiter/-innen,
46
»» Fahrzeug/Fahrweg
»» Forschungsprojekt SiPoS-Rail
Das IFS unterstützt die Antragsteller bei der Zulassung von Schienenfahrzeugen in einer deutschen Großstadt. Dabei werden u.a. die für den Zulassungsprozess notwendigen Dokumente in enger Zusammenarbeit mit
den Antragstellern und der Zulassungsbehörde abgestimmt. Ziel ist die
Erstellung eines Leitfadens für alle Beteiligten, mit dem zukünftige Zulassungsprojekte auf kommunaler Ebene schneller und effizienter durchgeführt werden können.
Im Projekt SiPoS-Rail (Genauigkeitserhöhung und Integritätsprüfung von
sicherheitsrelevanten Positionsinformationen mit Satellitennavigation für
Anwendungen im Bahnsektor) wird in Zusammenarbeit mit dem Institut
für Regelungstechnik IRT untersucht, wie aus einem Satellitennavigationssignal in Kombination mit festen Wegmarken im Gleis ein sicheres und
bewertbares Positionssignal zur Verbesserung der Fahrzeug-Odometrie
erzeugt werden kann.
»» Forschungsprojekt Galileo above
Am IFS wird eine Simulationsumgebung entwickelt, die sowohl die Konstellation und Signale der Navigations-Satelliten als auch die Fahrbewegungen und Sensordaten des Fahrzeugs nachbildet und so die Algorithmenentwicklung unterstützen kann. Eine Verifikation findet anhand von realen
Testfahrten mit dem IFS-Erprobungsträger in Wegberg-Wildenrath statt.
Im Rahmen des Projekts Galileo above werden Anwendungen satellitenbasierten Ortungssystemen für den Schienenverkehr erforscht. Das
Erprobungsträgerfahrzeug des IFS wurde für die Anforderungen des
Projektes mit geeigneter Sensortechnik ausgerüstet. Als erste Anwendungen werden eine automatische Zielbremsung und das kuppelbereiten
Positionieren von Schienenfahrzeugen untersucht. Die übergeordnete
Zielsetzung ist ein Rangierassistent, der ein automatisches Umsetzen
von Güterwagen in einer Gleisharfe (sog. Flachrangieren) ermöglicht.
Es wurden Messfahrten sowohl auf den institutseigenen Gleisen als
auch im Eisenbahn-Prüfcenter in Wegberg-Wildenrath durchgeführt.
IFS-Erprobungsträger auf dem großen Testring T1 in Wildenrath
»» Fahrzeug/Fahrweg
Entwicklung eines „Online-Check“-Systems für Schienenfahrzeuge mit
Echtzeitauswertung. Das Ziel des Projekts ist es, ein fahrwegseitiges Online-Sicherheitsüberwachungssystem für Schienenfahrzeuge bei Überfahrt
bis 100 km/h zu installieren. Das Projekt wird von der Firma HegenscheidtMFD GmbH & Co. KG zusammen mit dem IFS bearbeitet. Die Aufgabe des
Instituts ist es, den Zustand des Rades (z. B. eine Flachstelle) zu detektieren und eine geeignete Messmethode zu entwickeln und zu erproben.
47
»» Rütters, René; Breuer, Michael; Zhang, Junjie; Abel, Dirk; Lüdicke,
Daniel:
Comparison of State Estimation Filters for Safety Relevant Localization in
Rail Applications, Based on the Milestone Based SiPoS-Rail Approach
In: Proceedings of the 25th International Technical Meeting of the Satellite
Division of the Institute o... (2012), 1530-1536.
»» Dellmann, Torsten; Bernicke, Sebastian; Schindler, Christian;
Schwickert, Martin:
Leichtbau bei Schienenfahrzeugen - Bestandsaufnahme und Potentiale;
Teilprojekt A: Vollbahn-Fahrzeuge, Teilprojekt B: Straßen- und StadtbahnFahrzeuge
Berlin : Georg Siemens Verlag GmbH
»» Lüdicke, Daniel; Dellmann, Torsten; Rütters, René:
Sichere Positionierung eines Schienenfahrzeuges für automatische
Rangierbewegungen
In: Tagungsband / 12. Internationale Schienenfahrzeugtagung : 12. - 14.
September 2012.
»» Piffka, Sebastian Peter:
Hybrid, Hype oder Fortschritt?
In: Ingenieur-Spiegel : Fachmagazin für Ingenieure. - 2012 (2012), 2,
52-53.
»» Dellmann, Torsten; Abdelfattah, Basem:
Vergleich der dynamischen Eigenschaften von Radsatz und Losradpaar Ein theoretischer Beitrag zu einer fast vergessenen Technik
In: ZEVrail : Glasers Annalen. - 136 (2012), 10, 380-390.
48
Institut für
Kraftfahrzeuge
Das Institut für Kraftfahrzeuge beforscht als Teil der RWTH Aachen University das Gesamtfahrzeug einschließlich seiner Systeme und deren
Wechselwirkungen. Von der Idee über innovative Komponenten- und
Systemkonzepte bis hin zum Fahrzeugprototypen gestalten die über 350
Mitarbeiter des Institutes das Fahrzeug der Zukunft. Das ika leistet sowohl
in öffentlichen Projekten als auch in Kooperation mit Automobilherstellern
und -zulieferern einen anerkannten Beitrag zur Lösung der aktuellen Herausforderungen.
Lutz Eckstein
IKA - Institut für Kraftfahrzeuge
Steinbachstraße 7
52074 Aachen
Tel.: +49 241/80-25600
Fax: +49 241/80-22147
[email protected]
www.ika.rwth-aachen.de
Diplom Maschinenbau; Bachelor Maschinenbau, Bachelor Mobilität und
Verkehr, Bachelor Computational Engineering Science, Bachelor Informatik; Master Fahrzeugtechnik und Transport, Master Mobilität und Verkehr,
Master Energietechnik, Master Allg. Maschinenbau, Master Computational
Engineering Science, Master Produktionstechnik, Master Informatik,
Master Entwicklung und Konstruktion, Master Verfahrenstechnik
»» Schwerpunkte
Fahrzeugtechnik, Agrartechnik, Alternative und elektrifizierte Fahrzeugantriebe, Diagnose und Sicherheitsbetrachtung aktueller und zukünftiger
Fahrzeugsysteme, Fahrzeugdesign, Faserverbundwerkstoffe, Fluidtechnik für mobile Anwendungen, Industrielle Nutzfahrzeug-Entwicklung,
Industrieller Entwicklungsprozess von PKW-Antrieben, Kraftfahrlabor,
Kraftfahrzeug-Akustik, Krafträder, Kunststoffe im Kraftfahrzeug, Mechatronische Systeme in der Fahrzeugtechnik, Strategien in der Kfz-Industrie,
Strukturentwurf von Kraftfahrzeugen, Ursachenanalyse bei Kraftfahrzeugunfällen
»» Personal
49
»» SpeedE
»» i-TraiL
Im Vergleich mit konventionellen Fahrzeugen erfüllen heutige Elektrofahrzeuge Kundenerwartungen häufig nur eingeschränkt. Daher soll das Fahrzeugkonzept SpeedE eine herstellerneutrale Plattform zur Entwicklung und
Demonstration innovativer Technologien im Kraftfahrzeug bereitstellen und
dazu beitragen, einen erlebbaren Mehrwert der Elektromobilität zu schaffen, Design-Technik-Konvergenzprozesse zu erarbeiten sowie das Innovationspotential von Elektrofahrzeugen aufzuzeigen.
Im Rahmen des vom Land NRW geförderten Projekts wurde gemeinsam
mit sieben weiteren Partnern ein seriennaher Lkw-Trailer in Leichtbauweise
entwickelt und aufgebaut. Wichtige Teilaspekte dieses Projekts waren die
Entwicklung und Untersuchung von Ansätzen für eine intelligente Regelung
der Dämpfungskräfte an den Achsen, die Entwicklung und Untersuchung
von Konzepten für die Hybridisierung eines Nfz-Trailers sowie die Entwicklung von Ansätzen für sicherheitsunterstützende FAS.
Das Konzept zeigt vielfältige Innovationen wie z.B. die Sidestick-Steuerung
der Steer-by-Wire-Lenkung, neuartige Fahrdynamikfunktionen und rangierfreies Parkieren. Im weiteren Verlauf des Projekts wird ein GesamtfahrzeugPrototyp gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung aufgebaut.
Das Ziel dieses Projektes ist neben der Reduktion des Energiebedarfs,
des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emmisionen die Schonung von
Ressourcen, Infrastruktur und Ladegut sowie die Steigerung von Sicherheit
und Laderaumausnutzung.
Das Fahrzeugkonzept SpeedE des ika
Der Leichtbautrailer aus dem Projekt i-TraiL
»» euroFOT
»» Light-eBody
euroFOT wurde im 7. Rahmenprogramm der Europäischen Kommission
durchgeführt und untersuchte das Potential von Fahrerassistenzsystemen
(FAS) zur Steigerung von Sicherheit, Energieeffizienz sowie Optimierung
des Verkehrsflusses. Auf Basis von Feldversuchen wurde die Wirkung von
FAS im realen Verkehr validiert. Dazu wurden 1500 Testfahrzeuge unterschiedlicher Hersteller und mit verschiedenen in Serie befindlichen Assistenzsystemen wie z.B. Adaptive Cruise Control, Forward Collision Warning,
Lane Keep Assist, Blind Spot Information oder Fuel Efficiency Advisory
verwendet.
Das vom BMBF geförderte Projekt entwickelt eine großserientaugliche
Leichtbau-Karosserie in Multimaterialbauweise. Wesentliche Elemente
dabei sind neue Materialkonzepte und Herstellungsprozesse, eine strukturintegrierte Batterie als lastragendes Element sowie die Weiterentwicklung
der erforderlichen Simulationsmethoden und Fügetechniken. Die gemeinsame Arbeit der Projektpartner aus Forschung und Industrie ermöglicht die
Entwicklung neuer wirtschaftlich wie wissenschaftlich innovativer Lösungen, die eine neue Mobilitätskultur unterstützen.
Das ika war Teil des Lenkungsausschusses und neben der Mitarbeit in den
Arbeitspaketen „Datenmanagement und Methodik“ sowie „Versuchsdurchführung“ für die Leitung des Bereichs „Evaluation, Bewertung der Auswirkungen und Kosten/Nutzen-Analyse“ verantwortlich.
50
»» e performance
»» CONVENIENT
Gefördert vom BMBF wurde gemeinsam mit Partnern aus Industrie und
Forschung über drei Jahre hinweg eine skalierbare Systemarchitektur für
Elektrofahrzeuge der Zukunft erarbeitet.
Analysen zur Energieverbauchsreduzierung von Schwerlast-Lkw zeigen,
dass der Kraftstoffverbrauch für rund 30 % der Betriebskosten verantwortlich ist.
Das von der EU geförderte Projekt untersucht daher geeignete Methoden
zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs. Dazu werden drei Prototypen der
Marken DAF, VOLVO und IVECO mit Energierückgewinnungssystemen
aufgebaut, analysiert und bewertet. Wichtige Elemente der Verbrauchsreduktion sind ein ganzheitliches Energiemanagement, eine fahrerunterstützende Vorausschau, elektrifizierte Nebenaggregate, eine aktive Aerodynamik, Leichtlaufachsen und Photovoltaik-Elemente. Nach der Konzeptphase
und simulativen Voruntersuchung werden die Gesamtfahrzeugarchitektur
festgelegt und Energiemanagement-Algorithmen entwickelt.
Im September 2012 wurde das gemeinsam aufgebaute Demonstratorfahrzeug F12 präsentiert. Es zeigt innovative technische Lösungen auf den
Gebieten Energiespeicher, Energiemanagement, Antriebsstrang, Leistungselektronik, Thermomanagement, Bordnetz, Akustik, Leichtbau und
passive Sicherheit. Hervorzuheben sind der kompakte Vorderachsantrieb,
das crashdeformierbare Batteriesystem, die spezielle Mensch-MaschineSchnittstelle und die besondere Hochvolt-Topologie. Der modulare Aufbau
ergibt einen flexiblen Technikbaukasten und das Vorantreiben neuer technischer Ansätze. Die enge Kooperation der Projektpartner ermöglichte die
direkte Umsetzung vieler Entwicklungen und die Ableitung von Technologien für zukünftige Elektrofahrzeuge.
Die Ergebnisse dienen dem Aufbau und der Inbetriebnahme der Prototypen
und deren Validierung.
Das Demonstratorfahrzeug F12 des Projekts e performance
»» e-gomotion
Europaweit kooperieren Universitäten in dem vom 7. Rahmenprogramm
der Europäischen Kommission finanzierten Projekt, um Schüler und Studenten frühzeitig auf die Anforderungen zukünftiger Mobilität vorzubereiten.
e-gomotion möchte die Begeisterung für nachhaltige Mobilität wecken und
insbesondere Jugendliche motivieren, auch technische Kurse zu belegen
bzw. später im Studium und Beruf neue Mobilitätskonzepte zu erforschen.
Ein weiterer Baustein des Projekts ist die e-gomotion Academy, eine Web
School zur Weiterbildung aller Interessierten. Darüber hinaus wurden Road
Shows an weiterführenden Schulen in ganz Europa sowie Informationsveranstaltungen auf Karriereberatungstagen und Jobmessen durchgeführt.
Die Teilnehmer des Talentwettbewerbs aus dem e-gomotion-Projekt
51
»» Eckstein, L.: Zlocki, A.; Benmimoun, M.:
Advanced Driver Assistance Systems: Benefit Evaluation Method and
User Acceptance for Adaptive Cruise Control and Collision Warning
System.
Transportation Research Bord (TRB), Washington, 2012
»» Eckstein, L.; Bouvy, C.; Ernst, C.; Baltzer, S.:
Range-Extender als mobile Kraft-Wärme-Kopplungs Einheit;
Automobiltechnische Zeitschrift, Ausgabe Oktober 2012
»» Ginsberg, S.; Schüssler, M.; Allmann, C.:
Research project e performance - Design approach for a holistic BEV.
26th Electric Vehicle Symposium (EVS26), Los Angeles, 2012
»» Eckstein, L.; Klein, M.:
Development Tool for the Optimization of Vertical Dynamics in Chassis
Development.
Chassis.tech plus 2012, München, 2012
»» Eckstein, L.; Lesemann, M.; Faßbender, S.; Funcke, M.; Ickert, L.;
Malmek, E.-M.; Wismans, J.:
Customer Expectations and Technical Solutions for Third Generation
Electric Vehicles – First Results of the ELVA Project.
Stuttgarter Symposium 2012, Stuttgart, 2012
52
Lehrstuhl und Institut
für Allgemeine
Konstruktionstechnik
des Maschinenbaus
Mit Fokus auf Produkt, Prozess, Tools und Controlling gilt das ikt als weltweit anerkannte Einrichtung zur konstruktionstechnischen Forschung,
zur nachhaltigen Entwicklung von Produkten und als Ansprechpartner in
Fragen des Product Lifecycle Management (PLM). Neben konventionellen
Ansätzen zur methodischen Produktentstehung werden seit mehr als vier
Jahrzehnten neue Leitlinien für effiziente Entwicklungsprozesse und Produktstrategien herausgegeben. Die ingenieurwissenschaftliche Integration
neuer Werkstoffe im Sinne einer Ausschöpfung des Konstruktionspotentials ist Anwendungsschwerpunkt am ikt. Insbesondere der Realisierung der
technischen Nutzbarkeit hybrider Strukturen, respektive Sandwich-Verbünde, wird durch ein initiiertes Kompetenznetzwerk Rechnung getragen.
Jörg Feldhusen
Den zunehmend gestalterischen Anforderungen an maschinenbauliche Erzeugnisse als auch Konsumgütern begegnet das ikt durch den sukzessiven
Ausbau an Designkompetenz. Neben ausgeprägten Kooperationen mit internationalen Designzentren wie CCS (Detroit), UC (Cincinnati) und Hongik
(Seoul) wird auch die Lehrveranstaltung Industrial Design (ID), sowohl für
das Hauptdiplom Maschinenbau, als auch für Bachelor- und Masterstudiengänge angeboten.
[email protected]
www.ikt.rwth-aachen.de
Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des
Maschinenbaus
Steinbachstraße 54B
52074 Aachen
Tel.: +49 241/80-27341/42
Fax: +49 241/80-22286
alle B.Sc., Entwicklung und Konstruktion M.Sc., Konstruktion & Entwicklung Diplom
Unter dem Namen ProVerStand (Produktentwicklung über Verteilte Standorte) bietet das ikt zentral gehostete Produktdatenmanagement Systeme
und assoziierte Dienste für sämtliche Hochschulen in NRW (max. 45.000
Nutzer) und durch die Aktitvitäten im PACE-Verbund (pacepartners.org)
auch international für Forschungseinrichtungen an. Die im Hochschulumfeld einzigartige Serverinfrastruktur und Lizenzierung ermöglicht eine
industrie- und anwendungsnahe Forschung, aus der eine Vielzahl an
Methoden und Werkzeugen für das Wissens-, Daten- und Innovationsmanagement hervorgegangen sind.
»» Schwerpunkte
Konstruktionslehre, allg. Konstruktionsprozess und Methodik des industriellen Konstruktionsprozesses, Produktinnovation, Product Lifecycle
Management, Hybride Strukturen, CAE, Systems Engineering, Industrial
Design
»» Personal
53
»» Sustainable Urban Transport
»» Entwicklungsmethodik für Multitechnologieplattformen
2030 werden mehr als 60% der Weltbevölkerungen in urbanen Ballungsräumen leben und dies eine besondere Herausforderung an die öffentliche Infrastruktur mit Bezug zu Energiebedarf, Emissionen, Auslastung, Sicherheit
und Verfügbarkeit von nahtloser Mobilität stellen. In einem auf zwei Jahre
angelegten Projektzeitraum entwickelt das ikt mit Partnern aus Amerika
und Korea ein „Sustainable Urban Transport Vehicle“. Hierbei handelt es
sich um ein Fahrzeug zur Beförderung von 2 Personen, welches ein nachhaltiges Antriebskonzept aufweist und die Individualmobilitätsbedürfnisse
in Metropolregionen adressiert. Beginnend von der Marktanalyse über das
Transportation Design und Engineering bis hin zur Produktionsplanung
konnten durch die Erkenntnisse im Forschungsteam relevante Beiträge
für die Entwicklung von ökologischen Fahrzeugkonzepten für zukünftige
Mega-Cities geleistet werden. Das Team des ikt mit seinen internationalen
Partnern wurde für dieses Projekt mit dem ersten Platz als Gesamtsieger
„Sustainable Urban Transport Vehicle - Ready for Production“ von General
Motors in 2012 ausgezeichnet.
Im Rahmen des von der DFG geförderten Exzellenzclusters „Integrative
Produktionstechnik für Hochlohnländer“ forscht das ikt im Bereich der systematischen Entwicklung von neuartigen Multitechnologieplattformen und
leistet damit einen bedeutenden konstruktionsmethodischen Beitrag für die
Produktionstechnologie von morgen.
Im Speziellen beschäftigt sich das ikt mit den Bereichen Anforderungsermittlung und -management, Generierung von Prinziplösungen sowie dem
konzeptionellen Erstellen von Produktarchitekturen zur modularen Gliederung der Werkzeugmaschinen. Ziel ist es, eine methodische Unterstützung
im Sinne eines Entwicklungsleitfadens für Maschinenhersteller zu erarbeiteten. Hierzu wurde die Methodik der „Adaptiven Funktionstemplates“
konzipiert. Diese umfasst neben der traditionellen Betrachtung von sog.
Hauptflüssen ergänzend den Verlauf des zu fertigenden Werkstücks und
ermöglicht es so, durch gezielt steuerbare Funktionsintegration das Konzept mit dem größten fertigungstechnischen Integrationspotential zu ermitteln. Darüber hinaus ist ein Modell zur adaptiven Komposition und Dekomposition von Funktionsbausteinen in Templates geschaffen worden.
Sustainable Urban Transport Vehicle
»» Entwicklung eines durchgängigen Einstiegshilfesystems im ÖPNV für
Menschen mit Mobilitätshandicap
Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines neuartigen Einstiegsrampensystems für Niederflurfahrzeuge. Aktuell weisen nur ca. 5%
aller Fahrzeuge einen barrierefreien Zugang auf, wodurch Menschen mit
Bewegungshilfen die Nutzung des öffentlichen Nahverkehrs maßgeblich
erschwert wird. Bestehende Technologien finden insbesondere aufgrund
von Anfälligkeit und den konzeptbedingt hohen Verfahrzeiten im Betrieb
geringe Akzeptanz. Vor diesem Hintergrund wird unter Leitung des ikt in einem interdisziplinären Forschungskonsortium ein modulares Einstiegsrampensystem zur Reduzierung von Betriebsfehlern und zur Minimierung der
Reparaturausfallzeiten konzipiert. Weiterer Innovationsschwerpunkt sind
Ein- und Ausfahrdichtungen in Kombination mit einer Selbstreinigungsfunktion sowie die Sensor- und Regeltechnik zur Erkennung und Lagepositionierung der Betriebszustände.
Die modulare Architektur stellt in weiteren Ausbauphasen eine Adaption
für die Anwendung in den Kategorien Hochflurfahrzeuge sowie im Bussegment sicher und deckt zusätzlich als Nachrüstlösung 90% aller relevanten
Fahrzeuge ab. Dieses Projekt wird durch das BMWI gefördert.
54
»» Personal Assisted Mobility Device
Der öffentliche Nahverkehr wird aufgrund der Urbanisierung weiter an Bedeutung gewinnen. Im Rahmen einer durchgängigen Lösung ist das Gebiet
des „First/Last Mile Scenarios“ bislang allerdings nur unzureichend abgedeckt. Dies beinhaltet unter anderem den Transfer zwischen der nächstgelegenen U-Bahn oder Metro und Arbeitsstätte bzw. Wohnung. Dieses
fehlende Glied in der Transportkette entwickelt das ikt gemeinsam mit
deutschen und amerikanischen Forschungseinrichtungen als „Personal Assisted Mobility Device“, einem ultraleichten und portablen Gerät, welches
als Fahrzeug geringe Distanzen abdeckt und so als Bindeglied mit dem
öffentlichen Nahverkehr genutzt wird. Dieses Projekt ist auf eine Laufzeit
von 2 Jahren bis zum funktionalen Prototypen ausgelegt.
Personal Assisted Mobility Device
Das ikt ist kompetenter Ansprechpartner sowohl im Prozess- und Datenmanagement als auch in produktrelevanten Fragestellungen entlang des
Lebenszyklus. Insbesondere werden am Institut und Lehrstuhl Forschungsinhalte bearbeitet, die dem gestiegenem Innovationsbedarf einerseits und
dem Wissensmanagement andererseits Rechnung tragen. In der industriellen Anwendung fehlt es bislang an einer durchgängigen Verknüpfung von
unternehmensinternen und externen Ideen zur Produktinnovation mit den
Randbedingungen des Unternehmens wie Produktknowhow, Strategie und
Technologieplanung. Vor allem mittelständische Unternehmen besitzen oftmals nicht die notwendigen Ressourcen und Kapazitäten um ein durchgängiges Datenmanagement unter Einbeziehung von Ideenmanagement und
der Kopplung mit dem Produktbestand sowie Informationen aus späteren
Lebenszyklusphasen realisieren zu können. Die vor diesem Hintergrund
entwickelte Methodik zur PDM-basierten Innovationsplanung soll dem genannten Anwenderkreis als Leitfaden dienen und eine Systematisierung im
Product Lifecycle Management unterstützen.
55
»» Feldhusen, Jörg; Milonia, Eliseo; Nagarajah, Arun; Neis, Jan; Schubert, Sebastian:
Enhancement of adaptable product development by computerised comparision of requirement lists
In: International journal of product lifecycle management : IJPLM.-6, 1,
20-32 Aufsatz in Fachzeitschrift - Druck Online
»» Alex Brezing, Anne-Katrin Kämpf, Jörg Feldhusen, 2012:
Die rechnergestützte Topologieoptimierung als Ansatz zur Unterstützung
des Industrial Designs bei der Gestaltung struktureller Bauteile. In: Entwerfen entwickeln erleben:
Methoden und Werkzeuge in der Produktentwicklung [EEE2012]; 10.
Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik; KT 2012; Residenzschloss Dresden, 14. -15. Juni 2012 / Hrsg. v.: Mario Linke ..., S. 185-199.
Technisches Design; 8. Dresden: TUDpress
»» Raymond Djaloeis, Sönke Duckwitz, Malte Hinsch, Jörg Feldhusen,
Christopher Schlick, 2012:
Analysis of Human Reliability in Computer-Aided Design.
In: SMC 2012: Conference Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (IEEE SMC 2012); October
14-17, 2012, COEX, Seoul, Korea, S. 868-873. Piscataway: IEEE
»» Wenyu Wu, Alex Brezing, 2012:
Bauhaus and Ming-Style - A Comparative Study to Contribute to the
Understanding of Cultural Impact on Product Design.
In: Design Education for Future Wellbeing: Proceedings of the 14th
International Conference on Engineering and Product Design Education;;
EPDE 2012 / eds: Lyndon Buck; G. Frateur; W. Ion; C. McMahon; C.
Baelus; G. De Grande and S. Verwulgen, S. 411-416. Glasgow: Institution
of Engineering Designers, The Design Society
»» Katharina Franz, Ralf Hörnschemeyer, Arthur Ewert, Martina
Fromhold-Eisebith, Markus Große Böckmann, Robert Schmitt, Katja Petzoldt, Christoph Schneider, Jan Erik Heller, Jörg Feldhusen, Kerstin Büker,
Johannes Reichmuth, 2012:
Life Cycle Engineering in Preliminary Aircraft Design.
In: Leveraging technology for a sustainable world, 19th CIRP Conference
on Life Cycle Engineering, University of California at Berkeley, Berkeley,
USA, D. A. Dornfeld; B. S. Linke, ed., S. 473-478. Berlin: Springer
56
Lehrstuhl für
Textilmaschinenbau
und Institut für
Textiltechnik
Zukunftsfelder:
»» Mobilität
»» Bauen und Wohnen
»» Life Sciences
»» Energie
Univ.-Prof. Professor h.c.(RU) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing.
Thomas Gries
Prozessketten:
»» Technische Textilien
»» Textile Preforms
»» Vliesstoffe
»» medizinische Implantate
»» Smart Textiles
Otto-Blumenthal-Straße 1
52074 Aachen
ITA - Lehrstuhl für Textilmaschinenbau und
Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University
Tel.: +49 241/80-23400
Fax: +49 241/80-22422
[email protected]
www.ita.rwth-aachen.de
Technologiefelder:
»» Hochmodulfasern
»» Chemiefaserverarbeitung
»» textile Garnherstellung
»» textile Flächenherstellung
»» Beschichtung
»» Fügen
Textiltechnik
Spezialthemen:
»» Tribologie
»» Recycling
»» Nachwachsende Rohstoffe
»» Schwerpunkte
Faserwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe, Textile Herstellungsverfahren,
Technische Textilien, Medizintextilien, Textile Fertigungs- und Prüftechnik,
Textile Anwendungen, Qualitätssicherung und Simulation
Besondere Kompetenzfelder:
»» Simulation
»» Polymeranalytik
»» Prozessanalyse
»» Textilwirtschaft
»» Personal
57
»» Automotive
»» Medizintechnik
Entwicklungs- und Prüfzentrum für innovative Textilien im Automobilinnenraum: Automotive Interior Center (AIC)
Ziel2.NRW (12/2012 - 06/2015)
Entwicklung einer neutral degradierbaren mit Markern versehenen textilbasierten Grundstruktur für einen tissue engineerten Dialyse-Shunt
EU (EFRE) / MIWF
(08/2010 - 07/2013)
»» Chemiefaserverarbeitung/Polymere
Entwicklung eines innovativen, hochelastischen Netzimplantats
für die Hernienchirurgie (E-Mesh)
BMBF - KMU Innovativ (06/2012 - 05/2015)
Autopos - Auslegungs-Tool für polymerspezifische Spinnpakete: Schneller
vom Polymer zur Faser
AiF (12/2012 - 11/2014)
Entwicklung und Testung eines bioresorbierbaren flussmodellierenden
Kunststoffstents für die Gefäßimplantation zur Ausschaltung intrakranieller
Aneurysmen (BioReS)
BMBF, Fördermodul I (Innovationswettbewerb BASIS)
(02/2012 - 01/2014)
CO2 Based Products – From Dream to Reality
European Institute of Innovation & Technology
(01/2013 - 12/2014)
HiPer Sizing – High performance sizings for glass fibers for the use in light
weight composite materials
Ziel2 CheK.NRW (04/2013 - 03/2015)
Polylactid Fasern mit pH optimiertem Abbauverhalten
ERS RWTH
(08/2013 - 07/2015)
iCarbon – Entwicklung & Umsetzung eines innovativen Heizverfahrens zur
Stabilisierung bei der Carbonfaserherstellung
ZIM (01/2013-12/2014)
PulmoStent - Development & Evaluation of a Viable Stent Device for the
Treatment of Broncho Tracheal Cancer
Seventh Framework Programme of the European Union (FP7/2007-2013
under grant agreement n° NMP3-SL-2012-280915)
(04/2012 - 03/2015)
»» Faserverbundwerkstoffe
Entwicklung eines neuartigen hochproduktiven Verfahrens zur Herstellung
von textilen Preforms für Faserverbundwerkstoffe (Kurztitel: Preformnähen)
Bundesministerium
für
Wirtschaft
und
Technologie
(ZIM)
(06/2012 - 05/2014)
Textile Medizinprodukte aus biomimetisch hergestellter Seide mit integrierten Wirkstoffen für die innovative Behandlung chronischer Wunden
Ziel 2 (06/2011 - 05/2014)
Geflochtene FVK-Crashstrukturen
AiF Zutech (01/2013 - 12/2014)
Textilbasierte Herzklappe
Herstellung eines Druckbehälters im Umflechtprozess (Druckbehälter
Flechten)
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie – Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) (02/2013 – 07/2014)
MACH-to Industrial validation of Nu-Wave new generation of sustainable
and efficient textile machinery and development of a strategy to enter the
market
Seventh framework Programm of the EU, Grant Agreement No. 315360
(08/2012 - 07/2014)
»» Fügetechnologien
Hochwärmeleitfähiger CFK
Entwicklung einer Methodik zur Integration von Online-Messsytemen für Heizkeil-/Heißluftschweißverfahren von Markisenstoffen und Filtersystemen (QualiWeldTex) AiF (09/2012 - 08/2014)
»» Smart Textiles
Akustikdecke - Innovativer Schallabsorber als Raugewebe für einen nachhaltigen Produktionsprozess
AiF (ZIM) (09/2012 - 08/2014)
KoSTBar - Kontinuierliche Fertigung von 3D-Smart-Textiles-Bandgewebe
am Beispiel funktionalisierter Evakuierungsmatten
BMBF (kmu innovativ) (09/2012 - 08/2014)
58
»» Textiles Bauen
Multi Non-Crimp - Auslegung, Produktion und Prüfung von Mehrlagengewebe mit eingestellter Ondulation / Composites based on non-crimp multilayer-woven fabrics
ERA SME/AiF-Projekt (10/2012 - 09-2014)
Geformte textile Bewehrungselemente für Betonbauteile
DFG - SFB 532 Transferprojekt T08
(01/2012 - 12/2014)
Interdisziplinäre Laborstudie fokussiert auf Form, Material und Funktion zur
anwendungsorientierten und marktspezifischen Ausrichtung von Textilbeton (FoMaFu)
RWTH Humtec Seed Fund (04/2013 – 04/2014)
TechnoLeno - Multipler Einsatz des Propellerdrehers zur Herstellung von
weitmaschigem und gleichzeitig verschiebefestem Drehergewebe für technische Anwendungen
ZIM (06/2012 - 05/2014)
Textilbewehrte Spritzmörtelschichten zur Instandsetzung von Wasserbauwerken
DFG - SFB 532 Transferprojekt T09
(01/2012 - 06/2014)
Ultrafeine, technische Gestricke für Filtrationsanwendungen
ZIM (02/2012 – 07/2013)
Interaktives Kissen
»» Textilmaschinen/Produktionstechnik
3D-Needle-Weave - Neuartige Nadeltechnologie zur Herstellung von 3DProfilgeweben
ZIM (01/2013 - 12/2014)
BIOFIBROCAR - Schmelzspinngarne aus kompostierbaren Biopolymeren
für Fahrzeuginnenräume / Melt spun fibres based on compostable biopolymers for application in automotive interiors
EU (01/2013 - 06/2015)
EcoMeTex - Ecodesign methodology for recyclable textile coverings used in
the European construction and transport industry
European Union (05/2012 - 04/2015)
Energieeffizienter Fasertransport
Ziel2.NRW (09/2012 - 08/2014)
Ultrageschweißte Luftkammer
Energieverbrauchsreduzierung durch verbesserte Ansteuerung von Stafettendüsen beim Luftdüsenweben (EvereSt)
AiF (02/2012 - 01/2014)
Entwicklung einer nicht brennbaren Decke aus Glasfasern für den Objektund Verkehrsmittelbereich
ZIM (05/2012 - 10/2014)
Entwicklung innovativer Färbespulen zur Kostensenkung in der Spulenfärberei und in der Flächenbildung mit Hilfe eines praxisgerechten Ansatzes
AiF (05/2012 - 04/2014)
Erhöhung der Energieeffizienz des Kurzfaser Airlaid-Vliesbildungsprozesses
IGF / AiF (08/2012 - 07/2014)
Exzellenzcluster ‚Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer‘ (EXC
128)
DFG (11/2012 - 10/2017)
Fibriltex - Microfibrillär verstärkte Textilien und Polymercomposites
AiF (Cornet)
(11/2012 - 10/2014)
59
»» Vad, T.; Wulfhorst, J.; Pan, T.-T.; Steinmann, W.; Dabringhaus, S.;
Beckers, M.; Seide, G.; Gries, T.; Sager, W.F.C.; Heidelmann, M.; Weirich,
T.E.:
Orientation of well-dispersed multiwalled carbon nanotubes in melt-spun
polymer fibers and ist impact on the formation of semicrystalline polymer
structure :
a combined wide-angle X-ray scattering and electron tomography
study Macromolecules 46 (2013), H. 14, S. 5604-5613, doi: 10.2021/
ma40001126
»» Kravaev, P.; Stolyarov, O.; Seide, G.; Gries, T.
A method for investigating blending quality of commingled yarns
Textile Research Journal 83 (2013), H. 2, S. 122-129
doi: 10.1177/0040517512456760
»» Steinmann, W.; Walter, S.; Beckers, M.; Seide, G.; Gries, T.:
Thermal analysis of phase transitions and crystallization in polymeric
fibers
In: Elkordy, Amal Ali (Ed.): Applications of Calorimetry in a Wide Context:
Differencial Scanning Calorimetry, Isothermal Titration Calorimetry and
Minicalorimetry. Chapter 12. - Rieka, Croatia: InTech Europe, 2013, S.
277-306, doi: 10.5772/54063
»» Alagirusamy, R.; Eichhoff, J.; Gries, T.; Jockenhövel, S.
Coating of conductive yarns for electro-textile applications
The Journal of the Textile Institute 104 (2013), H. 3, S. 270-277
doi:10.1080/00405000.2012.719295
»» Pico, D.; Wilms, C.; Seide, G.; Gries, T.; Kleinholz, R.; Tiesler, H.;
Fibers, 12. Glass Fibers Ullmann‘s Encyclopedia of Industrial Chemistry.
7. edition, release 2010. - Weinheim [u.a.] :
Wiley-VCH, 2012, doi: 10.1002/14356007.o11_o01.pub2
60
Lehr- und
Forschungsgebiet
Kautschuktechnologie
Das Lehr- und Forschungsgebiet Kautschuktechnologie (LFK) bietet in
Studiengängen der Maschinenbau - Fakultät Vorlesungen in den Fächern
Kautschuktechnologie, Werkstoffkunde der Kunststoffe, Fügen und Umformen von Kunststoffen sowie Konstruieren mit Kunststoffen an.
Edmund Haberstroh
Im Mittelpunkt der Forschung und Lehre steht das Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Aufbereitungs- und Fertigungsprozessen und den
Werkstoffeigenschaften. Die Forschung widmet sich den Elastomeren, den
Thermoplasten. Auf dem Gebiet des Compoundierens von Elastomeren
wird sowohl an diskontinuierlichen wie an kontinuierlichen Prozessen gearbeitet. In der Fügetechnik stehen das Laserstrahl- und das Ultraschallschweißen wie auch die Verbindung von Thermoplasten mit Metallen im
Vordergrund.
Kackertstraße 9
52072 Aachen
LFK - Lehr- und Forschungsgebiet Kautschuktechnologie
Tel.: +49 241/80-93849
Fax: +49 241/80-92447
[email protected]
www.lfk.rwth-aachen.de
An der RWTH ist es eingebunden im Excellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer. Forschungskooperationen bestehen mit
Lehrstühlen und Instituten des Maschinenwesens und der Naturwissenschaften an der RWTH sowie mit Forschungseinrichtungen an anderen
Universitäten. Mit dem IKV besteht eine Kooperation in der Nutzung von
Labors. Prof. Haberstroh arbeitet mit dem Deutschen Institut für Kautschuktechnologie (DIK) in Hannover auf dem Gebiet der Kautschukverarbeitung
zusammen.
Kunststofftechnik
»» Schwerpunkte
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich Kautschuktechnologie
und Kunststofftechnik
»» Personal
61
»» Wärmekontaktfügen hybrider Kunststoff-Metall-Verbunde
Das LFK ist als assoziiertes Mitglied des Exzellenzclusters „Integrative
Produktionstechnik für Hochlohnländer“ an der Entwicklung eines neuen
Verfahrens zum Fügen von Kunststoff-Metall-Hybridverbindungen beteiligt.
Dabei wurde ein Prozess entwickelt, der das thermische Fügen von Hybridverbindungen mittels Wärmeleitung ermöglicht. In einem weiteren Schritt
wurde das Wärmeleitungsfügen zum Wärmekontaktfügen weiterentwickelt
(Abb. 1). Dieses bietet den Vorteil, den metallischen Fügepartner durch
einen kurzen Wärmeimpuls mit Hilfe eines dauerbeheizten Heizstempels
schnell und gezielt zu erwärmen.
Mit Hilfe der Erkenntnisse aus den Grunduntersuchungen und neuen
Untersuchungen an komplexeren Geometrien soll die Möglichkeit einer
Gestaltungsrichtlinie für eine beanspruchungsgerechte Auslegung von
thermisch gefügten Kunststoff-Metall-Verbindungen untersucht werden.
Zusätzlich werden auch Verbindungen untersucht, die vor dem Hintergrund
eines zielgerichteten Leichtbaus vielversprechend erscheinen. Hier ist vor
allem die Verbindung von Metallen mit sogenannten Organoblechen, bei
denen es sich um endlosfaserverstärkte Halbzeuge mit thermoplastischer
Matrix handelt, interessant (Abb. 2). Bei dieser Kombination können sehr
hohe Verbundfestigkeiten erzielt werden.
Des Weiteren wurde der Prozess mit dem Ziel einer höheren Reproduzierbarkeit und schnellerer Taktzeiten automatisiert. Um die prozessrelevanten Parameter zu erfassen, wurde ein Weg- und ein Kraftaufnehmer
installiert, mit denen Abschmelzwege und Fügekräfte untersucht wurden.
Durch den eingebrachten Kraftaufnehmer und ein Proportionaldruckventil
konnte zusätzlich eine druckvariable Prozessführung realisiert und unterschiedliche Fügedrücke während des Fügevorgangs untersucht werden.
Die vorhandene Anlage ist jedoch durch die eingebrachten Sensoren und
den Steueraufwand an ihre Grenzen gekommen. Aus diesem Grund ist
eine Neukonstruktion der Anlage unter Berücksichtigung der aus dem alten Konzept gewonnenen Erkenntnisse durchgeführt worden. Ziel bei der
Neukonstruktion war vor allem eine bessere Positionierung der Sensoren
und damit eine bessere Aufzeichnung der Parameter sowie eine größere
Bauform, um auch industrierelevante Geometrien fügen zu können.
Ergänzend werden zur Zeit die Aufheiz- und Abkühlphasen simulativ betrachtet, um schneller optimale Prozessfenster zu finden und ein tiefergehendes Verständnis für den Fügeprozess zu entwickeln. Dabei werden
insbesondere die Prozesse der Wärmeübertragung und des Aufschmelzen
und Fließen des Kunststoffes in der Simulation gekoppelt betrachtet, wodurch genauere Aussagen mit Hilfe der Simulationsergebnisse möglich
werden.
Abb. 2: Geprüfte Zug-Scherproben aus Edelstahl und endlosfaserverstärktem Polyamid 6
Abb. 1: Weiterentwicklung der Anlagentechnik für das Wärmeleitungsfügen hybrider Kunststoff-Metall Verbindungen
62
»» Hao, Da; Haberstroh, Edmund:
Doppelschneckenextruder in Kaskadenanordnung für die kontinuierliche
Herstellung von Silicamischungen.
In: KGK Kautschuk, Gummi, Kunststoff, 11-12/2012, pp. 30-36.
»» Flock, Dustin; Sickert, Michael; Haberstroh, Edmund:
Temperaturermittlung beim Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen.
In: GAK Gummi, Fasern, Kunststoffe, 11/2012, pp. 704-708
63
Institut für
Kunststoffverarbeitung
in Industrie und
Handwerk
Christian Hopmann
»» Spritzgießen von Thermoplasten und Duroplasten
»» Extrusion von Thermoplasten
»» Kautschuktechnologie
»» Polyurethan-Technologie / Verarbeitung reaktiver Schaumsysteme
»» Faserverstärkte Kunststoffe
»» werkstoff- und fertigungsgerechtes Konstruieren
»» Oberflächenprozesse
»» Umformen und Schweißen von Thermoplasten
»» Bauteil- und Werkstoffprüfung
IKV - Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der
RWTH Aachen
Pontstraße 49
52062 Aachen
Tel.: +49 241/80-93806
Fax: +49 241/80-92262
[email protected]
www.ikv-aachen.de
»» Lehrtätigkeit
Das IKV hat im Wintersemester 2007/08 den Diplomstudiengang auf den
Bachelor/Master-Studiengang (Bachelor 7 Semester, Master 3 Semester)
umgestellt. Im Sommersemester 2011 startete der Masterstudiengang.
Vorlesungen (Auszug): Kunststoffverarbeitung, Textiltechnik; Faserverbundwerkstoffe; Veredeln von Kunststoffen; Kunststoffe im Kraftfahrzeug.
Kunststofftechnik: Werkstoffe, Faserverbundwerkstoffe, Bauteilauslegung,
Werkzeuge, Verarbeitungsmaschinen, Prozessanalyse, Veredeln
»» Industrie-Kooperationen
Träger des Instituts ist eine gemeinnützige Fördervereinigung, der zurzeit
235 Unternehmen der Kunststoffbranche weltweit angehören. Die Mitgliedsfirmen und Projektpartner stellen dem IKV im Rahmen gemeinsamer
Projekte Maschinen, Anlagen und Geräte für Forschungszwecke zur Verfügung.
»» Schwerpunkte
Integrative Betrachtung der Produktentwicklung mit ihren Aspekten Werkstoff, Konstruktion und Verarbeitung für Kunststoff und Kautschuk
»» Studierende
Ein wichtiges, am IKV praktiziertes Ausbildungsverfahren ist die direkte
Anwendung der Forschung als Lehrmittel. Im Rahmen der Forschungsarbeiten werden in sich geschlossene Themen von den Studierenden als
studienbegleitende und Abschlussarbeiten bearbeitet. Die Studierenden
haben zudem die Möglichkeit, als studentische Hilfskraft zu arbeiten und
damit ihre Praxiserfahrung in den Labors des IKV zu vertiefen.
»» Personal
»» IKV-Fachtagungen
Das IKV bietet im Jahr acht bis zehn Fachtagungen zur Kunststoffverarbeitung an. Referenten aus dem IKV und Experten der Kunststoffbranche
tragen den neuesten Stand der Technik aus Wissenschaft und Wirtschaft
zusammen. Alle zwei Jahre findet das Internationale Kunststofftechnische
Kolloquium statt, das einen Überblick über die Forschungsarbeiten des IKV
gibt.
64
»» Funktionale Oberflächen durch Mikro- und Nanostrukturen
»» Selbstoptimierende Fertigungssysteme bei schwankenden Prozessbedingungen
Mikrostrukturierte Oberflächen sind für eine Vielzahl von Natur-Effekten
verantwortlich. Derartige Effekte gilt es für technische Anwendungen zu
erschließen und in der Massenfertigung zu reproduzieren. Die Entwicklung geeigneter Herstellprozesse für diese Oberflächenstrukturen, deren
Beherrschung und nicht zuletzt deren Verständnis ist folglich für eine industrielle Nutzung notwendig.
Aktuelle Fertigungssysteme erlauben zunehmende Einstellungsmöglichkeiten bei gleichzeitig steigenden Qualitätsanforderungen. Selbstoptimierende Fertigungssysteme ermöglichen eine hohe Reproduzierbarkeit der
Produktion sogar bei schwankenden Prozessbedingungen.
Die konventionelle Prozessführung beim Spritzgießen basiert auf Maschinengrößen, die solche Prozessschwankungen nicht kompensieren und
daher eine konstante Formteilqualität nicht gewährleisten können. Das
Ziel der selbstoptimierenden Prozessführung ist es, die Effekte der Prozessschwankungen zu kompensieren, eine erhöhte Reproduzierbarkeit zu
erreichen und damit eine konstante Formteilqualität zu gewährleisten. Beim
Konzept zur Selbstoptimierung teilt sich das System in eine modellbasierte
Optimierung (MO-System) und verschiedene informationsverarbeitende
Sensor-Aktor Systeme (ISA-Systeme) auf (Abb. 2). Durch Sensorik (Temperatur und Druck) in der Werkzeugkavität wird der aktuelle Arbeitspunkt
bestimmt. Dieser wird benötigt, um mit dem MO-System den optimalen Verlauf der Prozessgröße Werkzeuginnendruck zu berechnen. Der optimale
Werkzeuginnendruckverlauf wird als interne Zielvorgabe an ein weiteres
ISA-System weitergegeben, das selbstständig mithilfe einer Online-Regelung des Werkzeuginnendrucks die internen Vorgaben realisiert und so
thermische Störungen direkt kompensiert.
Im Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“
der RWTH Aachen untersucht das IKV in Kooperation mit dem IOT und
dem ILT Produktionsketten zur Herstellung derartiger Strukturen für die
Massenfertigung. Der variotherme Extrusionsprägeprozess bietet sich
für die schnelle und kostengünstige Herstellung von mikrostrukturierten
Kunststofffolien an. Entscheidend für die Prozessführung ist die Implementierung des variothermen Heizkonzepts, bei dem, zusätzlich zur konventionellen Heizung, mittels Laser ein Temperaturprofil erzeugt wird, was
die Herstellung funktionaler Oberflächen mit hoher Abformgenauigkeit in
einem einstufigen Prozess ermöglicht. Experimentelle und simulative Untersuchungen zur Replikation einer Lotusblattähnlichen Struktur wurden
durchgeführt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Möglichkeit, sowohl
Oberflächenstruktur als auch Funktionalität der Oberfläche gezielt durch
die Prozessführung zu verändern (Abb.1).
Abb. 1: Variation von Oberflächengeometrie und Funktionalität durch
gezielte Prozessführung
Abb. 2: Konzept des selbstoptimierenden Spritzgießprozesses
65
»» Plasmabehandlungen zur Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen
»» CFK-Motorhaube in Integralbauweise
Im Sonderforschungsbereich (SFB) Transregio 87 stehen „Gepulste Hochleistungsplasmen zur Synthese nanostrukturierter Funktionsschichten“ im
Fokus. Unter der Federführung von Prof. Dr.-Ing. Peter Awakowicz (RuhrUniversität Bochum, RUB) sowie von Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin (RWTH
Aachen) untersuchen Forscher der RWTH, der RUB sowie der Universität
Paderborn gemeinsam grundlegende Fragestellungen bei der Entwicklung
plasmagestützter Verfahren zur Herstellung funktionaler Schichten.
Die Fertigung von Hochleistungsbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) ist bis heute mit hohen Kosten verbunden. Gründe hierfür sind
vor allem die langen Taktzeiten sowie die schlechte Automatisierbarkeit
der verfügbaren Fertigungsprozesse. Das IKV und das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) entwickeln zusammen mit Industriepartnern im Rahmen
eines „Hightech.NRW“-Projekts eine CFK-Motorhaube in Integralbauweise
auf Basis eines Ford Focus. Im Vergleich zur serientypischen Stahlmotorhaube konnte das Gewicht der CFK-Motorhaube um 60 % auf unter 5 kg
reduziert werden (Abb. 3 und 4). Durch eine neue Fertigungstechnologie
sowie Simulations- und Auslegungsmethoden soll dieses Leichtbaupotenzial für größere Stückzahlen (10.000 Einheiten/Jahr) erschlossen werden.
Nach der Ermittlung der mechanischen Kennwerte aus den vorher ausgewählten Materialien wurde die CFK-Motorhaube bezüglich Steifigkeits- und
Crasheigenschaften am ika simulativ ausgelegt. Die Bestimmung der tatsächlichen Eigenschaften der Motorhaube erfolgte anhand von Steifigkeitsund Crashprüfungen. Um eine automatisierte Fertigung in unter 15 min zu
realisieren, wird aktuell eine neuartige Spaltimprägnieranlage mit spezieller
Werkzeugtechnik am IKV in Betrieb genommen, die bei gleichzeitiger Berücksichtigung der statischen und dynamischen Eigenschaften des Bauteils, auch die Anforderungen an eine Class-A-Bauteiloberflächenqualität
bieten kann.
Plasmaprozesse gewinnen im Bereich der Kunststoffverarbeitung zunehmend an Bedeutung. Anhand zweier Beispielanwendungen aus der
Kunststoffverarbeitung, der Ausrüstung von Maschinenkomponenten mit
antiadhäsiven und verschleißfesten Schichten sowie der Entwicklung von
dehnfähigen Barriereschichten auf Thermoplasten, werden elementare
Grundlagen zur Wechselwirkung zwischen Hochleistungsplasmen und
technischen Oberflächen erarbeitet und zur diagnostikbasierten Prozesskontrolle genutzt. Das Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen (IKV) ist über zwei Teilprojekte in diesen SFB eingebunden.
Abb. 3: Neu enwickelte CFK-Motorhaube
Abb. 4: Motorhaube montiert und lackiert am Ford Focus
66
»» W. Michaeli, Ch. Hopmann, K. Bobzin, T. Arping, T. Baranowski, B.
Heesel, G. Laschet, T.Schläfer, M. Oete:
Development of an integrative simulation method to predict the microstructure influence on the mechanical behaviour of semi-crystalline
thermoplastic parts.
International Journal of Materials Research 1 (2012), S. 120-130
»» Puch, F.; Hopmann, Ch.; Michaeli, W.; Fragner, J.:
Experimental investigation of the electrical conductivity and the mechanical properties of polyamide 6-carbon fibre-carbon nanotube-composites.
Journal of Nanostructured Polymers and Nanocomposites 8 (2012) 4, S.
107-111
»» H. Bahre, K. Bahroun, H. Behm, S. Steves, P. Awakowicz, M. Böke,
Ch. Hopmann, J. Winter:
Surface pre-treatment for barrier coatings on polyethylene terephthalate,
Journal of Physics D: Applied Physics 46, 084012 (2013)
»» Hopmann, Ch..; Pöhler, M.:
Resin Spray Prepregging – Structural parts with non-foaming polyurethane matrix for serial production.
Conference of the Society for the Advancement of Materials and Process
Engineering, Baltimore, May 21-24 2012, USA
»» Drummer, D.; Ehrenstein, G. W.; Hopmann, Ch.; Vetter, K.; Meister,
S.; Fischer, T.; Piotter, V.; Prokop, J.:
Analysis and Comparative Assessment of Different Process Technologies
for Manufacturing Polymer Micro-Elements.
Journal of Materials Science and Engineering B 6 (2012) 2, S. 347-362
67
Lehr- und
Forschungsgebiet
Kontinuumsmechanik
Mikhail Itskov
Das Lehr- und Forschungsgebiet hat das Ziel, grundlegendes und praxisorientiertes Wissen der modernen Festkörpermechanik zu erwerben und
zu vermitteln. Inbesondere wird Grundlagenforschung im Bereich der Materialmodellierung nichtlinearer, inelastischer und anisotroper Werkstoffe bei
großen Verformungen betrieben.
KM - Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik
Kackertstraße 9
52072 Aachen
Die Kontinuumsmechanik beschreibt die Bewegung und Deformation materieller Körper unter Einwirkung von Kräften. Dabei ist die Tensorrechnung
das fundamentale mathematische Werkzeug der Kontinuumsmechanik.
Mit Hilfe der Tensorrechnung werden Materialmodelle formuliert und anschließend in numerische Rechenverfahren (z.B. Finite-Element-Methode)
implementiert. Somit besteht die Möglichkeit komplizierte Geometrien und
Stoffgesetze in Simulationsrechnungen (z.B. Bauteildimensionierung und
–optimierung oder Crash-Simulationen) zu berücksichtigen.
Tel.: +49 241/80-96400
Fax: +49 241/80-92400
[email protected]
www.km.rwth-aachen.de
Folgende Lehrveranstaltungen werden angeboten:
»» Kontinuumsmechanik
»» Tensorrechnung für Ingenieure I, II
»» Foundations of Finte Element Methods for Engineers
»» Praktische Einführung in FEM-Software I, II
»» Mechanik verformbarer Körper
»» Mechanics of Living Tissues
Maschinenbau, Computational Engineering Science,
Computer Aided Conception and Production in Mech. Eng.
»» Schwerpunkte
Kontinuumsmechanik, Tensorrechnung, Konstitutive Modellierung
anisotroper Materialien, Mechanik biologischer Gewebe
Die Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich:
»» Kontinuumsmechanik
»» Tensorrechnung
»» Materialtheorie
»» Mechanik biologischer Gewebe
»» Mechanik der Elastomere
»» Untersuchung von Materialinstabilitäten
»» Personal
Die Finanzierung der Forschungsprojekte erfolgt über öffentliche Mittel
bzw. über industrielle Partner.
Studien-, Diplom- und Doktorarbeiten werden aus den Bereichen der Struktur- und Kontinuumsmechanik, Biomechanik, Tensorrechnung und Finite
Elemente Methode (Theorie und Anwendung) angeboten und betreut.
68
»» Konstitutive Modellierung des Mullins-Effekts und zyklische Spannungserweichung gefüllter Elastomere
»» Ein einfacher Algorithmus zur schnelleren Berechnung von Abteilungen höherer Ordnung der Umkehrfunktion
Unter großen Dehnungen zeichnet sich das Verhalten gefüllter Elastomere
durch den starken Mullins-Effekt, induzierte Anisotropie und deutliche Restdehnung aus. In zyklischen Zugversuchen beobachtet man auch eine ausgeprägte Hysterese, die von der Dehnrate unabhängig ist. Die Vorhersage
dieser unelastischen Eigenschaften in Elastomeren stellt eine wichtige
Aufgabe sowohl technologischer als auch wissenschaftlicher Relevanz dar.
Das Forschungsprojekt befasst sich mit der Berechnung von Abteilungen
höherer Ordnung der Umkehrfunktion. Es wird ein einfaches und schnelles
rekursives Verfahren für die Differentiation der Umkehrfunktion vorgeschlagen und mit anderen aus der Literatur bekannten Methoden bezüglich Rechenzeit und Speichernutzung verglichen. Hierzu wird die Langevin-Funktion betrachtet, deren Inverse eine große Rolle in der Nicht-Gaußschen
statistischen Theorie der Gummielastizität spielt.
In diesem Projekt wird ein mikromechanisches Modell entwickelt, welches
die unelastischen Eigenschaften in gefüllten Elastomeren beschreibt. Hierzu wird das zuvor en-wickelte Konzept der Elstomernetzwerkzerlegung (Int.
J. Solids Struct. 46, 2967 (2009) herangezogen und um ein zusätzliches
Netzwerk (CP Network) erweitert. Das neue Netzwerk berücksichtigt die
Schädigung der Fülleraggregate bei zyklischer Verformung. Diese Schädigung wird für die o.g. Hysterese und den daraus resultierenden Energieverlust verantwortlich gemacht. Die Genauigkeit des so aufgebauten Modells
wird im Vergleich zu einer neuen Reihe experimenteller Daten überprüft.
Abb. 2: Orientierung der Kollagenfasern (Langer-Linien) und ihre räumliche Verteilung
Abb. 1: FE-Modell einer weiblichen Brust
69
»» Ein Netzwerk-Evolutions-Modell der anisotropen Spannungserweichung in gefüllten Elastomeren
Parameteridentifikation und Finite-Elemente-Implementierung
»» Numerische Simulation der Hauptrichtungen der Anisotropie in weichen biologischen Geweben, insbesondere in der Haut
Das Netzwerk-Evolutions-Modell, das in den letzten Jahren (Int. J. Solids
Struct. 46, 2967 (2009)) am Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik entwickelt wurde, gewährt neue Einblicke in den Schädigungsmechanismus der gefüllten Elastomere. In diesem Folgeprojekt wird dieses
Modell in Finite-Elemente-Programme implementiert. Hierzu wird die freie
Energiefunktion des Elastomers in Abhängigkeit der in dem Modell vorhandenen internen Variablen formuliert. Zusätzlich wird die thermodynamische
Konsistenz des Netzwerk-Evolutions-Modells analytisch überprüft. Im Anschluss wird die Vorhersagekraft des Modells in mehreren Versuchen geprüft. Unter anderem wurden hierzu die Ergebnisse einer Grauwertanalyse
der Oberflächenverschiebungen herangezogen. Schlussendlich wird der
Einfluss der Füllstoffkonzentration auf die Materialparameter untersucht.
Die Orientierung der Kollagenfasern und ihre räumliche Verteilung geben
die makroskopischen mechanischen Eigenschaften des Weichgewebes
vor und insbesondere ihre Richtungsabhängigkeit (Anisotropie).
In diesem Forschungsprojekt behandeln wir zwei verschiedene Verfahren
zur automatischen Generierung dieser Richtungen für ein 3D Finite-Elemente-Modell:
A) Das erste Verfahren beruht auf einer Analogie mit einem Wärmeleitungsproblem. Dementsprechend wird ein Wärmestrom unter bestimmten Temperaturrandbedingungen erzeugt und mittels des FE-Modells berechnet.
Dieser Wärmestrom wird anschließend für die Definition der anisotropen
Richtungen verwendet. Das numerische Ergebnis zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Daten der Langer-Linien in der menschlichen Haut.
B) In dem zweiten Verfahren wird das Faser-Vektorfeld mit Hilfe vordefinierter Faserrich-tungsskizzen und der Laplace-Glättungsmethode berechnet.
Beide Methoden können verwendet werden, um die Anisotropie-Richtungen auch innerhalb mehrlagiger Gewebe wie Arterie zu modellieren.
Abb. 3: Konzept der Elstomernetzwerkzerlegung und Erweiterung um ein
zusätzliches Netzwerk (CP Network)
Abb. 4: Praktische FE-Anwedung des Netzwerk-Evolutions-Modells an
Elastomer Drehfedern
70
»» Dargazany, R., Itskov, M.:
Yield behavior of colloidal aggregates due to combined tensile-bending
loads
APS Journals Physics. Rev. E,Volume 85, Issue 5,
DOI: 10.1103/PhysRevE.85.051406
»» Dargazany, R. , Vu, N. K. , Navrath; U. , and Itskov, M.:
Network evolution model of anisotropic stress softening in filled rubberlike materials: Parameter identification and finite element implementation.
Journal of Mechanics of Materials and Structures, Volume 7 Issue 8-9,
861-885, 2012, DOI: 10.2140/jomms.2012.7.861
»» Itskov, M., Dargazany, R., Hörnes, K.:
Taylor expansion of the inverse function with application to the Langevin
function.
Mathematics and Mechanics of Solids, Volume 17 Issue 7, 693-701, 2012,
DOI: 10.1177/1081286511429886
»» Schmidt, H., Pauli, L., Paulus, A., Kuhl, E., Itskov, M.:
Consistent formulation of the growth process at the kinematic and constitutive level for soft tissues composed of multiple constituents.
Computer Methods in Biomechanic and Biomedical Engineering, Volume
15, Issue 5, 547-561, 2012. DOI: 10.1080/10255842.2010.548325
»» Itskov, M.:
Tensor Algebra and Tensor Analysis for Engineers with Applications to
Continuum Mechanics
Series: Mathematical Engineering, 3rd. Edition,Textbook, Springer, 2012.
71
Institut für
Maschinenelemente und
Maschinengestaltung
Georg Jacobs
»» Dynamisches u. energetisches Verhalten von Antriebssträngen
»» Fahrdynamik u. Nutzungsdauer von Antriebssträngen mobiler Arbeitsmaschinen
»» Erprobung originalgroßer Antriebstränge u. Validierung von Berechnungsverfahren in den Bereichen Off-Highway, Windenergieanlagen
(WEA) und Antiebstechnik
»» Simulation des dynamischen Systemverhaltens von WEA
»» Verschleiß und Ermüdung von Maschinenelementen
»» Maschinenakustik
»» Nicht schaltbare Kupplungen und Ermüdung von Elastomeren
»» Schmierstoffverhalten im tribologischem System
»» Oberflächenuntersuchung und –bewertung
»» Zustandsüberwachung tribologischer Systeme
»» Gleitlagersimulation und -erprobung
IME - Institut für Maschinenelemente und
Maschinengestaltung
Schinkelstraße 10
52062 Aachen
Tel.: +49 241/80-95635
Fax: +49 241/80-92256
[email protected]
www.ime.rwth-aachen.de
Maschinenbau
»» Schwerpunkte
Tribologie, Antriebstechnik, Off-Highway, Windenergie
»» Personal
72
»» Grüner Radlader
»» Kennwertbestimmung an elastischen Kupplungen:
Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung und Erprobung neuer
Antriebs- und Steuerungstechnologien für mobile Arbeitsmaschinen zur
Steigerung der Energieeffizienz. Vorzugslösungen für die Funktionsbereiche Arbeitshydraulik, Fahrantrieb, Hybridmodul und Dieselmotor werden
zu einem Antriebssystem mit übergeordneter Maschinensteuerung zusammengeführt und in einen Radlader mit 200 kW Antriebsleistung integriert.
Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Analyse der Wechselwirkungen
der Subsysteme und deren gezielter Beeinflussung zur Steigerung der
Energieeffizienz.
Hochelastische Kupplungen werden in vielen Anwendungsbereichen wie
Baumaschinen oder Schienenfahrzeugen eingesetzt, um über Parameterveränderungen das Drehschwingverhalten gezielt zu beeinflussen. Die
mechanischen Eigenschaften von Elastomerkupplungen sind in großem
Maße von Parametern wie Temperatur oder Belastungsfrequenz abhängig. Die üblichen Herstellerangaben gelten bislang nur bei Belastungen
unter Nenndrehmoment sowie Belastungsfrequenzen von 10 Hz. In vielen Feldanwendungen werden diese Geltungsgrenzen aber überschritten.
Ziel des Vorhabens ist es, durch neu definierte Kennwerte das Kupplungsverhalten für hochdynamische Laständerungen umfassender zu beschreiben. Dabei sollen transiente und harmonische Belastung betrachtet
werden. Basis der Arbeiten sind Versuche an marktüblichen Kupplungen
auf servohydraulischen Drehzylindern. Zusätzlich werden Probekörper
untersucht. Im Fokus steht dabei die Analyse und die Beschreibung des
Zeitverhaltens der relevanten Kupplungseigenschaften. Vorversuche haben gezeigt, dass das Zeitverhalten der Kupplungen bei hochdynamischen
Anregungen sowohl durch das Werkstoffverhalten der Elastomere wie auch
durch Masseneinflüsse bestimmt wird.
Das Projekt wird gemeinsam mit Hochschul- und Industriepartnern durchgeführt und ist Teil des vom BMBF geförderten Verbundforschungsvorhabens TEAM, an dem sich insgesamt 24 Partner aus Industrie und Forschung beteiligen.
Das IME befasst sich mit der Modellbildung und Erprobung des Fahrantriebs. Dessen Wirkungsgradverhalten sowie das Rekuperationspotential
von kinetischer Energie werden analysiert. Zur Steigerung der Effizienz
im Fahrbetrieb wird simulativ ein Leistungsmanagement zum optimierten
Zusammenspiel von Dieselmotor, Leistungsverzweigungsgetriebe und
Hybridmodul erarbeitet. Parallel zu den simulativen Arbeiten wird derzeit
der 1 MW-Verspannungsprüfstand des Institutes für Versuche mit dem Antriebsstrang in aufgelöster Bauweise genutzt. Eine Modellvalidierung wird
durchgeführt und das Leistungsmanagement mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe und dem Hybridmodul auf dem Prüfstand erprobt.
Prüfstand zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens hochelastischer
Kupplungen
Systemoptimierung Grüner Radlader, H. Jähne, Verbundforschungsprojekt „TEAM – Entwicklung von Technologien für energiesparende
Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen“, bauma Forum 2013
73
»» Verbesserung des Betriebsverhaltens von On-Shore Windenergieanlagen (WEA) mit Hilfe eines neuartigen Systemprüfstandes
»» Einfluss von Einlaufprozessen und Regenerationsphasen auf den
Verschleiß von Wälzlagern
In der ersten Phase des Projektes stehen die Entwicklung und der Aufbau eines Demonstrator Systemprüfstandes für WEA in realer Baugröße
im Fokus.
Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Einlaufprozedur zur Reduktion von Verschleiß im Wälzlager und somit zur Verlängerung der Lebensdauer. Während der Einlaufphase soll eine vor Verschleiß schützende
Triboschicht aufgebaut werden, die den Verschleißschutz in den nachfolgenden Betriebsphasen gewährleistet.
Der neuartige Ansatz zur Untersuchung der WEA als Gesamtsystem ergibt sich aus der interdisziplinären Betrachtung des Antriebsstranges einer
WEA bestehend aus mechanischem Antriebsstrang, Generator mit Umrichter, Gondelrahmen sowie Leistungsregelung und Anlagensteuerung unter
reproduzierbaren und flexibel einstellbaren Windlasten an der Rotornabe
und Netzlasten am Generator.
Die Versuche werden mit ZDDP-additivierten Schmierstoffen, welche in der
Praxis häufig zum Einsatz kommen, im Wälzlagerschmierstoff-Prüfgerät
FE8 durchgeführt. Ohne Einlauf zeigen die untersuchten Schmierstoffe im
FE8 Versuch einen schlechten Verschleißschutz. Durch Vorschalten einer
geeigneten Einlaufprozedur konnte erreicht werden, dass dieser signifikant
gesteigert bzw. der Verschleiß komplett unterbunden wurde. Im weiteren
Verlauf des Vorhabens werden die Triboschutzschichten hinsichtlich ihrer
chemischen, physikalischen und strukturellen Eigenschaften charakterisiert. Dies soll zu einem besseren Verständnis der Wirkmechanismen des
Schutzschichtaufbaus beitragen.
Systemprüfstand für Windenergieanlagen
Optische u. mikroanalytische Bewertung des Verschleißschutzes im
Wälzlager
Eine WEA mit aufgelöstem Triebstrangkonzept wurde als Hardware in the
Loop (HIL) Komponente im Systemprüfstand aufgebaut und mit der herstellereigenen, nicht modifizierten Betriebsstrategie in allen Betriebspunkten
betrieben und vermessen. Unter Aufprägung von mechanischen Lasten
in fünf Freiheitsgraden und realitätsnahen Netzlasten wurde es erstmals
möglich, die dynamisch wirkenden Lasten im Antriebsstrang von WEA systematisch zu analysieren. Die gewonnenen Erkenntnisse können zur Verbesserung der Verfügbarkeit der Gesamtanlage verwendet werden.
Die gewonnenen Erkenntnisse in Bezug auf die Einbindung einer WEA in
eine Systemprüfstand, der Echtzeit-Berechnung der Windlasten im HILBetrieb und der erforderlichen Dynamik der servo-hydraulischen Belastung
sowie der Leistungselektronik fließen in die Projektierung und den Bau eines Systemprüfstandes mit einer Leistung von 4 MW ein.
74
»» Neubert, Sebastian; Porta, Artur; Hentschke, Christoph; Jacobs,
Georg:
Mixed friction model for rough contacts at high contact pressure In: 39th
Leeds-Lyon Symposium on Tribology :
Great Challenges in Tribology ; Tuesday 4th-Friday 7th September
2012, Leeds Trinity University College, Leeds, University of Leeds.
- Leeds: University of Leeds, 2012, S./Art.: 160-160 InProceedings
[hsb999910270154]
»» Jacobs Georg, Ramm Marco , Straßburger Felix;
Systemische Umbrüche in der Antriebstechnik - Konzepte im Vergleich;
Getriebe in mobilen Arbeitsmaschinen, Session: Quo Vadis Elekrtifizierung
von Antrieben; 20.06.201;
2. Internationale VDI-Fachkonferenz,19.-20. Juni 2012, Friedrichshafen
»» Schelenz Ralf , Bosse Dennis , Radner Dominik , Georg Jacobs;
Demands on dynamics of load application systems for full scale ground
testing of 1 MW wind turbines;
Deutsche Windenergiekonferenz (DEWEK); 7th to 8th November 2012;
Bremen; Session No. 2: Testing; 7th November
»» Berroth Joerg, Schelenz Ralf ;
Advanced Modeling of Wind Turbine Drive Trains Including Aeroelastics With Regard to the Coupled Dynamics of Tower and Drive Train; Session:
Advanced design and technology of hybrid towers; 29.08.2012;
1st International Conference Advances in Wind Turbine Towers. 28.30.08.2012; Bremen
»» Schelenz Ralf , Bosse Dennis , Radner Dominik , Georg Jacobs;
F&E-Werkzeuge für WEA-Antriebsstränge; Topic session No.2
20.09.2012; Technische Innovationen aus NRW für die Windindustrie;
Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk
NRW, Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und
Verbraucherschutz NRW;
WindEnergy in Husum 18. – 22. September 2012
75
Institut für
Strahlantriebe und
Turboarbeitsmaschinen
Peter Jeschke
Das Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen beschäftigt sich
mit einer Vielzahl von Problemen, die im Rahmen der Entwicklung von Turbomaschinen, Strahlantrieben und Anlagen hinsichtlich Wirkungsgradverbesserung, Leistungskonzentration, Betriebsverhalten, Betriebssicherheit
und Umwelteinwirkungen auftreten.
IST - Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen
Templergraben 55
52062 Aachen
Die nachstehende Auswahl von Forschungsschwerpunkten beschreibt das
weite Aufgabenfeld der Forschungstätigkeit, angefangen von der Grundlagenforschung bis hin zu speziellen Anwendungen und Auswirkungen von
Energieumwandlungsmaschinen:
Tel.: +49 241/80-95504
Fax: +49 241/80-92229
[email protected]
www.ist.rwth-aachen.de
»» Entwicklung und Anwendung von numerischen Methoden zur
Stömungssimulation
»» Transitions- und Turbulenzmodellierung für Strömungen in Turbomachinen
»» Experimentelle Untersuchungen von Strömungsphänomenen in
Verdichtern und Turbinen
Luft-und Raumfahrttechnik, Energietechnik
»» Schwerpunkte
Experimentelle und numerische Strömungsuntersuchungen, Systemanalyse von Turbomaschinen, Entwicklung von Strömungsmesstechnik
»» Personal
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»» Low Emission Gas Turbine Technology for Hydrogen-rich Syngas
(H2-IGCC)
Zur Überprüfung und zum Vergleich der Strömungsbedingungen im Expander bei Methan- und Synthesegasverbrennung wurde am IST mit Hilfe von
CFD-Verfahren eine generische Turbine ausgelegt und erstellt, die in ihren
Auslegungsparametern modernen Gasturbinen ähnelt. Strömungssimulationen für den Methanbetrieb dienen als Refernz, um so die Einflüsse der
Syngasverbrennung auf die Turbinenaerodynamik untersuchen zu können.
Die Abbildungen zeigt die entsprechenden Machzahlverläufe in den vier
Turbinenstufen als Meridiónal- und als Radialschnitt. Mit Hilfe von Parameterstudien werden Geometriemodifikationen an den Beschaufelungen
der einzelnen Turbinenstufen erarbeitet, die einen sicheren und effizienten
Betrieb mit Synthesegas ermöglichen. Dieser Auslegungs- bzw. Optimierungsprozess für die Expanderaerodynamik wird iterativ mit der Betrachtung der Schaufelkühlung (Cenaero) durchgeführt.
Dieses, im 7. Rahmenprogramm der EU geförderte Projekt soll technische
Lösungen bereitstellen, die die Nutzung von unverdünntem Wasserstoff
reichem Synthesegas aus Kohlevergasung als Brennstoff in hocheffizienten Gasturbinen heutiger Generation ermöglichen. Diese Technologie soll
einen wesentlichen Beitrag zur CO2- Reduzierung in Kraftwerksprozessen
leisten. Neben den Herausforderungen in Bezug auf die Verbrennung sowie die Materialbelatung der Heißgas führenden Teile müssen im Bereich
von Verdichter und Expander aerodynamische und kühlungstechnische
Anpassungen erfolgen, um die im Vergleich zum Betrieb mit Methan als
Brenngas gestiegenen Anforderungen zu erfüllen. Aufgrund des geringeren Heizwertes von Syngas muss der Brennstoffmassenstrom im Vergleich
zu Methan drastisch erhöht werden. Hierdurch kommen der Expander an
die Schluck- und der Verdichter an die Stabilitätsgrenze. Darüber hinaus
besteht das Abgas in erster Linie aus Wasserdampf und CO2, wodurch die
aero/temischen Eigenschaften sich signifikant von denen bei Methanbetrieb unterscheiden. Diese Problemstellungen werden in einem speziellen
Arbeitspaket mit den Partnern University of Sussex, University Roma Tre,
Cenaero und IST gelöst. Hierbei liegt der Fokus des IST auf der Expanderaerodynamik.
Webseite: www.h2-igcc.eu
H2-IGCC Meridionalschnitt
H2-IGCC Mittelschnitt
77
»» 3D Turbinengestaltung
»» Robustheit von 3D Schaufelkanalgestaltungen
Sekundärströmungen, d.h. jene Strömungsphänomene, die eine unerwünschte Änderung der Aerodynamik verursachen, generieren signifikante
Entropieproduktion und damit eine erhebliche Wirkungsgradminderung in
Turbinen. Durch geeignete Gestaltungsmaßnahmen können diese Sekundärströmungsverluste signifikant reduziert werden. Das Ziel des Vorhabens
liegt in der Bereitstellung eines Know-Hows, auf dessen Grundlage eine
Erhöhung des Wirkungsgrades von Turbinen durch Kombination von nichtrotationssymmetrischen Seitenwandkonturen und dreidimensional gestalteten Beschaufelungen ermöglicht wird. Als Grundlage der Untersuchungen dient dabei 1,5-stufige, subsonische Kaltluftturbine des IST.
Im Rahmen dieses AG TURBO Forschungsprojekts erforscht das Institut
für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen in Zusammenarbeit mit der
MTU Aero Engines aus München die Sensitivität eines 3D-gestalteten
Schaufelkanals gegenüber aerodynamischen und fertigungstechnischen
Abweichungen vom Auslegungsideal.
Übergeordnetes Ziel dieses Vorhabens ist eine Verbesserung des Wirkungsgrades durch 3D-Designs unter realitätsnahen Bedingungen sowie der Einsatz unter variablen Anforderungen im Betrieb. Der Fokus
der numerischen und experimentellen Sensitivitätsstudie liegt hierbei auf
der Erforschung des Einflusses von verschiedenen Zuströmturbulenzen,
Plattformstufen und einem variablen Axialabstand zwischen den Schaufelreihen. Neben einem stark vertieften Verständnis der physikalischen Zusammenhänge können wichtige Erkenntnisse zu den Abhängigkeiten von
optimierten Schaufeln und Seitenwänden gegenüber den beschriebenen
Störfaktoren gesammelt werden.
Zur Auslegung der optimierten 3D-Gestaltungen der Beschaufelung dient
ein automatisiertes Optimierungsverfahren, welches am IST aufgebaut
wurde. Durch Kombination verschiedener Gestaltungsansätze wie rotationsasymmetrischer Seitenwandkonturierungen, bow, lokalem restaggering, und lokalen Keilwinkelvariationen können die komplexesten
3D-Gestaltungen ausgelegt und untersucht werden. Auf Grundlage der
optimierten Gestaltungen werden die physikalischen Effekte, welche zur
Verlustreduktion geführt haben, analysiert und unter zusätzlichem Einsatz
statistischer Methoden den Gestaltungsvariationen zugeordnet.
Für die numerischen Vorstudien und anschließenden Nachrechnungen
wird der Strömungslöser TRACE des Deutschen Zentrums für Luft- und
Raumfahrt (DLR) genutzt. Die Voruntersuchungen dienen der Identifizierung der Effekte von aerodynamischen und fertigungstechnischen Abweichungen, um schließlich gezielt Messtechnik einzusetzen und in der Turbine zu platzieren.
Um die vorhergesagten Effekte der 3D-Gestaltung nachweisen zu können, werden experimentelle Untersuchungen am Kaltluftturbinenprüfstand
durchgeführt.
Die Messungen beinhalten stationäre und zeitaufgelöste Schaufeldruckverteilungen von Stator und Rotor und den Seitenwänden (stationär). Diese
dienen als detaillierte Referenzwerte für die Rechnung. Infolge vorangehender Projekte verfügt der Kaltluftturbinenprüftstand über eine umfangreiche Instrumentierung.
78
»» P. Waniczek, H. Schoenenborn, P. Jeschke:
„Experimental and analytical surge cycle analysis of a high pressure aero
engine compressor”
In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2012 : June 11-15, 2012, Copenhagen, Denmark, GT2012-69585
»» J. Hartmann, K. Winter, P. Jeschke:
„Aerodynamic influence of streamwise surface corrugation on axial
compressor blades”
In: Proceedings of Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF‘12): September 4-7, 2012, Budapest, Hungary
»» H. T. Hönen, R. Kunte, P. Waniczek, P. Jeschke:
„Measurement failures and correction methods for pneumatic multi-hole
probes”
»» B. Wilkosz, P. Schwarz, N. Chen, P. Jeschke, C. Smythe:
„Numerical Investigation of the steady separation inducing mechanisms in
a passage diffuser with application of two-equation turbulence models”
In: Proceedings of Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF‘12): September 4-7, 2012, Budapest, Hungary
»» S. Behre, M. Restemeier, P. Jeschke, Y. Guendogdu, K. Engel:
„Time-resolved numerical investigation of the effects of blade-row spacing
on the turbine efficiency”
79
Lehrstuhl
Informationsmanagement
im Maschinenbau
Zentrum für Lern- und
Wissensmanagement
Sabina Jeschke
Die Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls Informationsmanagement
im Maschinenbau IMA liegen im Einsatz von Methoden der Informatik in
allen Anwendungsbereichen des Maschinenbaus, speziell in Produktionstechnologie, Verkehr, Logistik und E-Health. Methoden zur Daten- und
Informationsintegration für die Kontrolle und Überwachung von Produktionssystemen werden entwickelt. Methoden der künstlichen Intelligenz
werden erweitert, um eine kognitive Kontrolle und Selbstoptimierung für
roboterbasierte Montagesysteme zu realisieren. Statische und dynamische
Fahrsimulatoren, Industrieroboter (ABB, Motoman) und mobile Roboter
(Robotino, NAO) erlauben eine experimentelle Auswertung der entwickelten Lösungen. Eine zentrale Rolle spielen hoch-verteilte intelligente Systeme, ihre Modellierung und Realisierung.
IMA/ZLW - Lehrstuhl Informationsmanagement im Maschinenbau &
Zentrum für Lern- und Wissensmanagement
Dennewartstr. 27
52068 Aachen
Tel.: +49 241/80-91110
Fax: +49 241/80-91122
[email protected]
www.ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de
Das Zentrum für Lern- und Wissensmanagement ZLW ist eine zentrale
wissenschaftliche Einrichtung der RWTH Aachen University. Das ZLW
erforscht, entwickelt und implementiert zukunftsweisende Konzepte und
Lösungen für Innovations-, Organisationsentwicklungs-, Lern- und Wissensprozesse in Wissenschaft, Wirtschaft und Politik. Der Fokus liegt auf der
systemorientierten Betrachtung von Personal-, Organisations- und Technikentwicklung. In den vier Bereichen - „Karriereforschung“, „Knowledge Engineering“, „Didaktik in den MINT-Wissenschaften“ und „Innovations- und
Zukunftsforschung“ - werden Forschungs-, Lehr- und Dienstleistungsprojekte von interdisziplinären Forscherteams durchgeführt. Neue Lehr- und
Lernformen mit und in virtuellen/augmented Realitäten werden im 3D-Virtual Theatre eingesetzt und weiter entwickelt.
Maschinenbau allgemein (Grundstudium)
»» Schwerpunkte
Entwicklung und Einsatz von IT-Systemen im Maschinenbau, insbesondere in Produktion, Verkehr und Logistik, eHealth, autonome Systeme,
kooperative Robotik, verteilte Intelligenz, CPS/Internet of Things, Cloud
Computing, Data Mining
Zum Institutsverbund aus IMA und ZLW gehört das Institut für Unternehmenskybernetik e.V. IfU, An-Institut der RWTH. Das Institutscluster betreibt
das Schülerlabor RoboScope, das DLR_School_Lab RWTH Aachen, das
Labor „Cognitive Car“ mit einem LKW-Fahrsimulator, ein 3D-Virtual Theatre
und den zentralen Fakultätsrechnerpool „ZuseLab“ mit über 300 Arbeitsplätzen.
»» Personal
80
»» Exzellenzcluster
„Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“
»» Metaprojekt DemoScreen „Kommunikation, Kooperation und Innovationsfähigkeit im demografischen Wandel“
DasTeilprojekt B.1“Virtual Production Intelligence“ adressiert die Entwicklung einer integrativen Plattform zur Modellierung komplexer, vernetzter
Produktionsprozesse. Durch die Erzeugung und explorativen Analyse realer und virtueller Daten lassen sich die Prozesse der Modellbildung so eng
miteinander verknüpfen, dass das Auffinden neuartiger Wirkbeziehungen
möglich wird. Wirkbeziehungen geben einen quantitativen Zusammenhang
zwischen den Maßzahlen für Kriterien und Parameter eines realen (Designraum) und eines virtuellen (Gestaltungsraum) Produktionsprozesses an.
Die 27 transdisziplinären Projekte des BMBF Förderschwerpunkts „Innovationsfähigkeit im demografischen Wandel“ untersuchen, wie der demografische Wandel dazu beitragen kann, die Innovationsfähigkeit durch
Konzepte der Unternehmens-, Personal- und Arbeitsorganisation nachhaltig zu steigern. Das Metaprojekt DemoScreen erarbeitet für den gesamten
Förderschwerpunkt grundlegende Erkentnnisse zur Kommunikations,- Kooperations- und Transfergestaltung. Ziel von DemoScreen ist es, die physische und virtuelle Vernetzung der Förderschwerpunktakteure, die Nutzung
von Synergien zwischen den Projekten sowie die Analyse, Bündelung und
den Transfer der Forschungs- und Projektergebnisse in Politik, Wirtschaft,
Wissenschaft und Gesellschaft zu unterstützen. Forschungsschwerpunkt
ist ein prozessbegleitendes Screening der Förderaktivitäten, um die Kommunikation und Kooperation im Förderschwerpunkt zu erfassen, Optimierungsmöglichkeiten bereits während der Projektlaufzeit zu identifizieren
und deren Übertragung auf andere Forschungsprogramme zu diskutieren.
Im Rahmen des Teilprojekts D.3 „Cognitive-enhanced, self-optimising
Assembly Systems“ beschäftigt sich das IMA mit der Entwicklung und Integration intelligenter Steuerungen in produktionstechnischen Systemen.
Dabei werden Erkenntnisse aus den Bereichen Künstliche Intelligenz, Wissensbasierte Systeme und Kognitionsforschung integriert. Die erweiterten
Systeme verfügen über verbesserte Fähigkeiten im Umgang mit komplexen oder unvollständigen Aufgabenbeschreibungen und verhalten sich in
unbekannten Situationen robuster.
DemoScreen
Die Cross Sectional Processes (CSP) unterstützen die interdisziplinären
Kooperationsprozesse im Exzellenzcluster. Interdisziplinäre Forschungscluster nehmen im Diskurs des Managements komplexer interorganisationaler Kooperationen eine Sonderrolle ein: Neben der organisationalen
Akkulturation wird eine Integration und Kombination heterogener wissenschaftlicher Methoden, Paradigmen während des Kooperationsprozesses
erwartet. Das Team der CSP hat auf Basis ihrer Forschungsergebnisse
für die zweite Förderphase ein interdisziplinäres Forschungsteam (ZLW,
HCIC, IEHK, IPT) aufgestellt, das sich den Herausforderungen in vier
Forschnungs- und Handlunsfeldern stellt.
Exzellenzcluster
81
»» CloudLogistic „Intelligentes, dezentrales Logistikmanagement für
kleine und mittelständische Speditionen zur Disposition von Teilfrachten“
»» DLR_School_Lab RWTH Aachen
Im Rahmen des Projekts „CloudLogistic“, gefördert durch das Ministerium
für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk des Landes
Nordrhein-Westfalen und die Europäische Union, werden innovative Logistikkonzepte und Geschäftsmodelle für Frachtenkooperationen im Bereich
von Lkw-Teilladungen entwickelt. Ziel des Projekts ist die Ausgestaltung
einer neuartigen Frachtenkooperation zur Steigerung der Effizienz von
Teilladungstransporten und zur Stärkung der Konkurrenzfähigkeit kleiner
und mittlerer Speditionen des Straßengüterverkehrs. Zur Spezifikation der
Anforderungen an eine solche Frachtenkooperation wurden umfassende
Anforderungsworkshops im Großraum Stuttgart und im Großraum Köln als
Grundlage durchgeführt. Die darauf aufbauende, parallele Entwicklung des
Geschäftsmodells und der IT-gestützten Kooperationsplattform werden im
Anschluss durch einen Feldversuch in Form eines Planspiels validiert.
Raus aus der Schule, rein ins Labor – unter diesem Motto lädt das IMA
der RWTH Aachen zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und
Raumfahrt (DLR) Schülerinnen und Schüler der Mittel- und Oberstufe in
das DLR_School_Lab RWTH Aachen ein. Im DLR_School_Lab RWTH Aachen kommen die vielfältigen Themen des DLR als einer der größten Forschungseinrichtungen Deutschlands und der RWTH Aachen als moderner
technischer Hochschule zusammen. Die Mitmach-Experimente behandeln
Fragen aus Luft- und Raumfahrt, Energie- und Verkehrsforschung – mit
Schwerpunkt auf der Robotik und Künstlicher Intelligenz. Die Schülerinnen
und Schüler tauchen im DLR_School_Lab RWTH Aachen in diese spannende Welt modernster Technik ein und setzen sich neben den vielfältigen
und abwechslungsreichen Experimenten unter anderem mit folgenden Fragestellungen auseinander: Was ist Künstliche Intelligenz und wie kommt
sie in Maschinen? Wie können Roboter lernen und braucht das Bewusstsein einen Körper? Den Menschen zum Vorbild – wollen wir, dass Roboter
menschlich sind? Was ist der Stand der Forschung in der Robotik heute?
Cloud Logistic
DLR_School_Lab
82
»» R. Reinhard, C. Büscher, T. Meisen, D. Schilberg, and S. Jeschke:
“Virtual Production Intelligence – A Contribution to the Digital Factory,”
in Intelligent Robotics and Applications: Proceedings of the 5th International Conference, ICIRA 2012, Montreal, Canada, 3-5 October 2012, 2012,
Lecture Notes in Computer Science, vol. 7506, pp. 706–715.
»» C. Jooß, R. Vossen, I. Leisten, A. Richert, and S. Jeschke:
“Knowledge Engineering in Interdisciplinary Research Clusters,”
in Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, 10 to 13 December, Hong Kong,
2012.
»» S. Jeschke, I. Isenhardt, F. Hees, K. Henning:
Eds., Automation,
Communication and Cybernetics in Science and Engineering 2011/2012.
Springer, 2012
»» C. Tummel, C. Franzen, P. Friedrichsmeier, N. Voßen, P. Wolters, E.
Hauck, and S. Jeschke:
“CloudLogistic - Line-Based Optimization for the Disposition of LTL
Shipments,”
in Proceedings of papers of the 17th International Symposium on Logistics
(ISL 2012), CapeTown, South Africa, 8-11 July 2012, 2012, pp. 361 – 371.
»» S. Jeschke, F. Hees, A. Richert, and S. Trantow:
Eds., Prethinking Work - Insights on the Future of Work/ Arbeit im Wandel:
Trends und Herausforderungen der modernen Arbeitswelt, vol. 7/8. LIT
Verlag, 2012
83
Lehrstuhl für
Produktionsmanagement
Achim Kampker
»» Der Lehrstuhl für Produktionsmanagement fokussiert sich auf die
Erforschung der Umsetzung einer nachhaltigen Produktionsstrategie
und der Gestaltung einer effizienten Wertschöpfungsstruktur, basierend auf seinen Erfahrungen aus Forschungs- und Beratungsprojekten
in der Industrie. Der Lehrstuhl teilt sich in insgesamt vier Gruppen auf.
Lehrstuhl für Produktionsmanagement
Steinbachstr. 19
52074 Aachen
»» Die Gruppe Montageplanung erforscht die Gestaltung und Steuerung von Montagesystemen sowie die Entwicklung von Materialbereitstellungs- und Ladungsträgerkonzepten zur Versorgung der Montage.
Im Mittelpunkt stehen insbesondere die Auslegung und Optimierung von
Taktmontagesystemen inklusive der dazugehörigen Unterstützungsprozesse. Das übergeordnete Ziel bildet dabei stets die Reduzierung von
Durchlaufzeiten und Beständen sowie die Erhöhung der Liefertermintreue.
Tel.: +49 241/80-27406
Fax: +49 241/80-22293
[email protected]
»» Die Gruppe Werksstrukturplanung beschäftigt sich mit der Auslegung und Gestaltung von Strukturen und Prozessen in der Produktion
von Unternehmen. Dies umfasst u. a. digitale Fabrikneu- und umplanungen sowie Werksstrukturplanungen. Zur Unterstützung der Planung
werden Tools der Fabrikplanung, wie bspw. der Fabrikplanungstisch und
das eigens entwickelte Fabrikplanungspowerpoint-Addin, eingesetzt.
Produktionstechnik
»» Die Gruppe Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung sowie die
Gruppe Anlaufmanagement beschäftigen sich mit der Produktion von
Komponenten für Fahrzeuge mit elektrischen Antrieben. Der Schwerpunkt besteht in der Ermittlung der Anforderungen an eine Elektromobilproduktion sowie die Produktionsplanung, insbesondere vor dem
Hinblick wettbewerbsfähiger Kosten im Vergleich zur Automobilmassenproduktion mit konventionellen Antrieben. Forschungsthemen sind die
Batterieproduktion, die integrierte Produkt- und Prozessplanung sowie
die Analyse von Kosten und die Entwicklung von Produktionsnetzwerken.
»» Schwerpunkte
Fabrikplanung, Montageorganisation, Elektromobilproduktion
»» Personal
84
»» Quasi.BAT
Qualitätssicherung in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien für
Elektromobilitätsanwendungen
Das Forschungsprojektes „Quasi.BAT“ (IGF-Nr. 2 LN) leistet einen nachhaltigen Beitrag zur Qualitätssicherung in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien.
Dadurch kann eine reine End-of-Line-Prüfung, wie sie im Moment vorherrscht, sinnvoll ergänzt werden. Im Verlauf des Projektes wurde erfolgreich ermittelt, wie und wo die qualitätsrelevanten Merkmale der Batterie
im Produktionsprozess beeinflusst werden und wie die entsprechenden
Prozesskenngrößen im Produktionsprozess überwacht werden können.
Für die Erfassung und Überwachung der einzelnen Kenngrößen wurden
messtechnische Verfahren analysiert und Integrationskonzepte erarbeitet.
Die generelle Machbarkeit des Einsetzens messtechnischer Verfahren für
die Etablierung fertigungsnaher Regelkreise, wie z.B. Röntgenstrahlung,
Ultraschall und Kameratechnik, wurde untersucht. Mit den Mitgliedern des
projektbegleitenden Ausschusses werden für die zu betrachtenden Produktionsschritte abschließend geeignete Prüfmechanismen konzipiert, mit
denen fortlaufend qualitätsrelevante Prozessparameter überwacht werden
können.
Ziel ist die Identifikation und Analyse der qualitätskritischen Produktionsschritte in der Batterieproduktion. Dabei steht die Analyse der Wirkbeziehungen zwischen Kundenanforderungen, Qualitätsmerkmalen und Produkt- sowie Prozesskenngrößen der Batterie im Mittelpunkt. Durch eine
kontinuierliche Bestimmung der Batteriequalität schon im Produktionsprozess können sowohl die durch Qualitätsmängel bedingten Mehrkosten
in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien gesenkt als auch wertvolle
Ressourcen eingespart werden. Für die Etablierung des ganzheitlichen
Prozessmonitorings wurden die Wirkzusammenhänge der Prozesskette
identifiziert, welche die Zusammenhänge von den leistungsbestimmenden Qualitätsmerkmalen der Batterie bis hin zu den Prozesskenngrößen
beschreiben. Darauf aufbauend wurde die Relevanz der Kenngrößen für
die Qualität des Endprodukts bewertet, um sicherzustellen, dass das angestrebte Prozessmonitoringkonzept ressourceneffizient die relevanten
Kenngrößen einbezieht.
»» Forschungslabor Anlauffabrik
Das Konzept der Anlauffabrik ist ein mächtiges Werkzeug zur Entwicklung
industrialisierungsfähiger Fahrzeuge und Fahrzeugkomponenten sowie zur
Validierung der Produktionsprozesse. Hierbei handelt es sich um eine kleine
Fabrik, in der die Serienproduktion von Fahrzeugen und Fahrzeugkomponenten getestet und ausgearbeitet werden kann. Solche Infrastrukturen stehen heute ausschließlich großen Automobilherstellern (OEM) zur Verfügung.
Das Ziel des vorliegenden Projekts besteht im Aufbau eigenständiger Module einer Anlauffabrik, mit denen die Entwicklung und Erprobung einer
wirtschaftlichen Produktion, Montage sowie Funktions- und Sicherheitsprüfung von Elektrofahrzeugen und deren Komponenten an der RWTH Aachen durchgeführt werden soll. Die Anlauffabrik wird durch weitere Module
aus einem vom Land Nordrhein-Westfalen geförderten Projekt ergänzt und
ist anderen Forschungsgruppen und Unternehmen der Automobilzulieferindustrie zugänglich. Sie ermöglicht ihnen eine unabhängige und vorwettbewerbliche Forschung an neuen Produktionstechnologien.
85
»» Kampker, A.; Franzkoch, B; Nowacki, C.:
Networked product and production development for lithium-ion batteries,
in: Enabling Manufacturing Competitiveness and Economic Sustainability
- Proceedings of the 4th International Conference on Changeable, Agile,
Reconfigurable and Virtual production (CARV2011), Montreal, Canada,
2-5 October 2011, Hrsg.: ElMaraghy, H., Springer, Berlin, 2012, ISBN 9783-642-23859-8, S. 215-220.
»» Kampker, A.; Meckelnborg, A.; Burggräf, P.; Welter, T.:
Integrative Factory Design by Efficient Interaction Models,
in: POMS 23rd Annual Conference - Proceedings of the 23rd Annual Conference of the Production and Operations Management Society „Socially
Responsible Operations“, Chicago, Illinois, U.S.A.. April 20 to April 23,
2012, Hrsg: Schoenherr, T., Michigan State University East Landing, MI,
2012, ISBN: 978-3942267403, S. 29-40.
»» Kampker, A.; Deutskens, C; Nee, C.; Wowreczko, D.:
Herausforderungen und Lösungsansätze für die Fertigung von Elektromotoren in Fahrzeugantriebsträngen. Neue Reserven in der Produktion,
in: Industrieanzeiger 134 (2012), 20, ISSN 0019-9036, S: 56-57.
»» Kampker, A.; Schuh, G.; Burggräf, P.; Nowacki, C.; Swist, M.:
Cost innovations by integrative product and production development,
in: CIRP Annals - Manufacturing Technology 61 (2012), 1, ISSN 00078506, S. 431-434.
»» Kampker, A.; Franzkoch, B.; Nowacki, C.:
Networked product and production development for lithium-ion batteries.
In: “Enabling Manufacturing Competitiveness and Economic Sustainability
– Proceedings of the 4th International Conference on Changeable, Agile,
Reconfigurable and Virtual Production (CARV2011)”, Montreal, Canada,
02 - 05 October 2011. Hrsg.: ElMaraghy, H., Springer Verlag Berlin,
London 2012, ISBN 978-3-642-23859-8, S. 215-220.
86
Lehrstuhl für
Technologie der
Fertigungsverfahren
»» Grundlagen der Zerspanung
»» Modellierung und Bewertung von Zerspanprozessen
»» Schleiftechnik
»» Umformtechnik
»» Technologieplanung
»» Produkt- und Prozessüberwachung
»» Abtragende Fertigungsverfahren
»» Getriebetechnik
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c.
Fritz Klocke
Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren
Steinbachstr. 19
52074 Aachen
Tel.: +49 241/80-27402
Fax: +49 241/80-22293
[email protected]
Fertigungstechnik
»» Schwerpunkte
Zerspantechnik, Schleiftechnik. Umformtechnik, Überwachen und Abtragen, Getriebetechnik
»» Personal
87
»» Wirtschaftlichkeit von Multitechnologieplattformen
Insbesondere die wirtschaftlich effiziente Anzahl an Arbeitsräumen, mit
denen eine Multitechnologieplattform ausgestattet sein muss, ist eine
zentrale Fragestellung in diesem Projekt. Werden besonders teure Produktionsressourcen wie beispielsweise eine Laserschweißeinheit lediglich
in einem einzigen Arbeitsraum verwendet, so ist die Auslastung dieser
Ressourcen gering. Besteht jedoch die Möglichkeit, mit dem Laser in zwei
parallel arbeitende Arbeitsräume einzugreifen, steigt die Auslastung der jeweiligen Produktionsressource und deren Investitionskosten können über
eine größere Anzahl an Bauteilen abgeschrieben werden. Dies ist jedoch
nur möglich, wenn der Anteil an Laseroperationen pro Bauteil relativ gering ausfällt. Wird in beiden Arbeitsräumen fast ausschließlich geschweißt,
so muss der eine Arbeitsraum stets auf den Laser, der sich gerade im jeweils anderen Arbeitsraum befindet, warten und es kommt zu einer Verlängerung der Durchlaufzeit. An diesem Beispiel wird deutlich, dass der
Einsatz von mehreren Arbeitsräumen im Wesentlichen vom Produktprogramm abhängig ist und nur anwendungsspezifisch bewertet werden kann.
Die historische Entwicklung der Produktion wird begleitet durch die
kontinuierliche Suche nach effizienteren Produktionssystemen. Eine
Änderung der Randbedingungen – beispielsweise durch eine größere Varietät im Produktspektrum – stellt herkömmliche Produktionsmittel in Frage und ermöglicht die Bereitschaft, innovative Konzepte in der
Produktion umzusetzen. Gegenwärtig werden produzierende Unternehmen durch turbulente Märkte, sinkende Losgrößen und komplexe
Produkte herausgefordert. Viele Marktakteure der Werkzeugmaschinenbranche betrachten Multitechnologieplattformen als wegweisendes Konzept, um die Produktion den zukünftigen Randbedingungen anzupassen.
Multitechnologieplattformen sind komplexe Werkzeugmaschinen,
die in der Lage sind, zahlreiche Fertigungstechnologien zur Bearbeitung von Werkstücken zur Verfügung zu stellen. Multitechnologieplattformen ermöglichen so häufig eine Verkürzung der Prozessketten sowie ein Eliminieren von Neben-, Rüst- und Transportzeiten.
Demgegenüber stehen jedoch in der Regel erhöhte Investitions- und Betriebskosten sowie eine geringere Produktivität, so dass das Bestimmen
der Wirtschaftlichkeit dieser Maschinen eine Herausforderung darstellt.
Neben der Frage nach der Anzahl an Arbeitsräumen werden Methoden
entwickelt, die Anforderungen an Multitechnologieplattformen aus Eigenschaften konventioneller Mehrmaschinensysteme abzuleiten. Hierbei gilt
es, Fertigungskosten, Produktivität und Durchlaufzeiten der alternativen
Systeme miteinander zu vergleichen. So konnte bereits im Rahmen des
Forschungsprojekts gezeigt werden, dass die Durchlaufzeiten in Systemen
mit Multitechnologieplattformen eine kritische Größe darstellen, da die
Arbeitsräume integrierter Systeme häufig stärker ausgelastet sind als die
Arbeitsräume von konventionellen Mehrmaschinensystemen.
Im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Production Technology for
High-Wage Countries“ werden im Bereich „Integrated Technologies“ die
Randbedingungen einer wirtschaftlich effizienten Bearbeitung von Werkstücken mit Multitechnologieplattformen untersucht. Ziel des Projekts ist
das Ermitteln von Kriterien, die den wirtschaftlichen Einsatz von Multitechnologieplattformen sicherstellen. Diese Kriterien können sowohl in der Entwicklung von Multitechnologieplattformen als auch für die Auslegung von
Produktionssystemen herangezogen werden.
Kontakt
Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Stephan Tönissen
Tel: 0241-80-20392
Hybrides Bearbeitungszentrum
88
»» Klocke, F.:
Präzisionsbearbeitung als Schlüsseltechnologie der Zukunft
in: Werkstattstechnik online 102 (2012) 6,S. 364
»» Klocke, F.; Veselovac, D.;Gierlings, S.; Auerbach, T.:
Prozessüberwachung für zertifizierte Fertigungsprozesse in der Luftfahrtindustrie
»» Klocke, F.; Döbbeler, B.; Lung, D.:
Energie- und Ressourceneffizienz - ein zunehmend wichtiger werdendes
Kriterium in der Zerspantechnik
in: MIN - Unter Span (2012) 2, S. 13
»» Klocke, F.; Veselovac, D.; Gierlings, S.; Tamayo, L.:
Development of Process Monitoring Strategies in Broaching of NickelBased Alloys
in: Mechanics & Industry 13 (2012) 1, S. 3-9
»» Klocke, F.; Arft, M.; Lung, D.:
Evaluation of the machining aspects of Austempered Ductile Iron
in: International Journal of Metalcasting 6 (2012) 4, S. 35 - 42
89
Lehrstuhl
für Wärme- und
Stoffübertragung
Reinhold Kneer
»» Theoretisch-/Numerische und experimentelle Untersuchungen zur
Kohle- und Gasverbrennung in O2/CO2-Atmosphäre sowie Luft
»» Brennerentwicklung
»» Direktentschwefelung
»» Torrefizierung von Biomasse
»» Hochtemperatur-Wärmeübertrager
»» Regelung der motorischen Verbrennung durch Einspritzung
»» Einspritzverhalten neuer synthetischer Biokraftstoffe
»» Hydrodynamik und Wärmetransport in Rieselfilmen
»» Modellierung und experimentelle Bestimmung von Kontaktwärmeübergangskoeffizienten
»» Kolbenkühlung
»» Optimierung von Kühlturmeinbauten
»» Wärmemanagement von Gebäuden
»» Zeitlich hochaufgelöste und berührungslose Messung der Oberflächentemperatur von Bauteilen
WSA - Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung
Augustinerbach 6
52056 Aachen
Tel.: +49 241/80-95400
Fax: +49 241/80-92143
[email protected]
www.wsa.rwth-aachen.de
Energietechnik, Verfahrenstechnik, Kunststoff- und Textiltechnik,
Grundlagen des Maschinenwesen
»» Schwerpunkte
Energie- und Verfahrenstechnik, Kohleverbrennung, Motorische Einspritzung, Wärmeübertragung am Motor, Transportvorgänge in Rieselfilmen, Klimatechnik
»» Personal
1 Professor, 1 Akad.-Direktor, 25 wiss. Mitarbeiter/-innen,
90
»» FLOX COAL 2
Flammlose Kohlestaubverbrennung
»» Helmholtz Virtuelles Institut
Kinetik des Koksabbrandes von Biomasse
Die flammlose Kohlenstaubverbrennung ermöglicht eine starke Reduzierung der NOX-Emissionen, wodurch die Entstickung in Kohlekraftwerksprozessen in Zukunft entfallen könnte oder zumindest in wesentlich
kleineren Umfang erforderlich wäre. In vorangegangenen Forschungsarbeiten wurde die Kohlenstaubverbrennung im Labormaßstab reaisiert
und untersucht. Zur Anwendung dieser Technologie im großindustriellen
Maßstab sind Skalierungsmethoden für die FLOX-Brenner notwendig. Ziel
des WSA ist es, innerhalb des von der EU (RFCS) geförderten Projektes
Skalierungsmethoden und Simulationswerkzeuge für die flammlose Kohlenstaubverbrennung (FLOX) in industriellen Feuerungen zu entwickeln.
Die stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse erfordert Vergasungs- und/oder Verbrennungsprozesse in unterschiedlichen Atmosphären. Zum Verständnis der ablaufenden Reaktionen ist u. a. die Kenntnis der
Kinetikdaten von Pyrolyse und Koksabbrand in diesen Prozess-Atmosphären notwendig. HVIGas zielt speziell auf die grundlagenmäßige Unterstützung des am KIT in Karlsruhe entwickelten Bioliq-Verfahrens.
Im Rahmen von HVIGas werden dazu am WSA Kinetikdaten in einem Wirbelbettreaktor in Labormaßstab bei hohen Temperaturen, hoher Aufheizrate und unterschiedlichen Atmosphären für Koks aus Biomasse experimentell ermittelt.
Dazu werden am WSA neben der Modellentwicklung zur NOX-Bildung und
Gasstrahlung auch In-Situ-Messungen der Rauchgaskomponenten CO2,
CO, O2, NOX, NH3 und HCN) in der Flamme zu Verbrennungsfortschritt
und NOX-Bildung durchgeführt. Zusätzlich werden Kinetikdaten zur Pyrolyse und Koksabbrand im FLOX-COAL 2-Projekt experimentell ermittelt und
für die Verbrennungssimulation bereitgestellt
Dabei ist das Forschungsziel, in Grundlagenuntersuchungen den Einfluss
der CO2/O2- oder N2/O2-Atmosphäre auf den Koksabbrand unter flammenähnlichen Bedingungen zu bestimmen. Die Reaktionsprodukte bei Pyrolyse und Koksabbrand werden experimentell bestimmt und damit durch
eine spezifische Auswertemethodik die Kinetikparameter berechnet. Hierdurch werden Parameter für die Pyrolyse- und Koksabbrandmodelle bereitgestellt, die wiederum für die Simulation der Vergasung und Verbrennung
von Biomasse benötigt werden.
Simulation der Temperaturverteilung in einer Drallflamme und einer FLOXVerbrennung
Mikroskopische Aufnahmen des düsennahen Strahlzerfalls
»» Excellenzcluster
Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse
Der Exzellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ hat
sich zum Ziel gesetzt, neue Produktionswege für synthetische Kraftstoffe
aus Biomasse zu erforschen. Ein entscheidender Teilprozess zur effizienten Nutzung solcher Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren ist die Gemischbildung im Brennraum. In zwei Teilprojekten des Lehrstuhls für Wärmeund Stoffübertragung (WSA) wird der Kraftstoffeinfluss auf den primären
Strahlzerfall und die nachfolgende Strahlausbreitung und -verdunstung
experimentell untersucht. Ziel der komplementären Untersuchungen ist die
fundierte Vorhersage des Kraftstoffeinflusses auf die Gemischbildung und
im Umkehrschluss die Definition erstrebenswerte Kraftstoffeigenschaften
für eine optimale Gemischbildung.
91
»» DFG KN 764/3
Einfluss elektrischer Felder auf Rieselfilme dielektrischer Flüssigkeiten
»» SFB/Transregio 96
Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen - Wärmefluss
zwischen Maschinenkomponenten
Rieselfilme, d.h. dünne Flüssigkeitsschichten, die an einer begrenzenden
Wand herabströmen, treten in einer Vielzahl energie- und verfahrenstechnischer Anlagen und Prozesse auf. Diese Vielfalt möglicher Anwendungen
legt im Hinblick auf die Entwicklung möglichst allgemeingültiger Auslegungsmodelle die grundlegende Untersuchung maßgeblicher Transportprozesse innerhalb des Rieselfilms nahe.
Im Rahmen des deutsch-russischen DFG Kooperationsprojektes KN
764/3: „Untersuchung der Stabilität und der Entstehung 2- und 3-dimensional-welliger Strömungsstrukturen unter dem Einfluss thermokapillarer Kräfte und elektromagnetischer Felder“ soll der Einfluss elektrischer Felder auf Rieselfilme dielektrischer Flüssigkeiten erfasst werden.
Dazu werden am WSA experimentelle Untersuchungen durchgeführt
In diesem Projekt werden Modelle entwickelt, die den Wärmeübergang
zwischen verschiedenen Maschinenkomponenten beschreiben. Diese Modelle sind notwendig um das thermische Ausdehnungsverhalten der Werkzeugmaschinen, beispielsweise mit FE-Simulationen, abbilden zu können.
Neben experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung des Kontaktwärmeübergangs werden auch numerische Ansätze zur Bestimmung des Wärmeübergangs verfolgt.
Links: Temperaturverteilung an der Kontaktstelle (Draufsicht) Rechts:
Temperaturverteilung im Körper (Schnittansicht)
Berechnetes Überschneidungsprofil zweier rauer Oberflächen
»» SFB 686
Modellbasierte Regelung der Homogenisierten Niedertemperaturverbrennung
Die Verbrennung fossiler Brennstoffe wird auch in Zukunft eine tragende
Rolle in der Energiebereitstellung spielen. Niedertemperatur-Verbrennungsprozesse stellen hierbei den nächsten Schritt zur Verbrauchs- und
Emissionsreduktion dar und werden konventionelle Verbrennungsprozesse
langfristig ablösen. Zur Regelung von Niedertemperatur-Verbrennungsprozessen sind genaue Kenntnisse über alle ablaufenden Teilprozesse und
deren Einfluss auf den Gesamtprozess notwendig. Am Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung wird der Gemischbildungsprozess untersucht,
d.h. die Durchmischung von Kraftstoff und Luft, die der Verbrennung vorausgeht und deren Randbedingungen festgelegt.
92
»» Rohlfs, W., Dietze, G. F., Haustein, H. D., Tsvelodub, O., Kneer, R.:
Experimental investigation of 3-dimensional wavy liquid films under the
influence of electrostatic forces;
Experiments in Fluids 53 (2012) 4, 1045/1056
»» Pischke, P., Cordes, D., Kneer, R.:
The velocity decomposition method for second order accuracy in stochastic parcel simulations,
International Journal of Multiphase Flow 47 (2012) 160/170
»» Ikeda, M., Toporov, D., Christ, D., Stadler, H., Förster, M., Kneer, R.:
Trends in NOx Emissions during Pulverized Fuel Oxy-fuel Combustion;
Energy Fuels 26 (2012) 3141/3149
»» Haustein, H., Rohlfs, W., Al-Sibai, F., Kneer, R.:
Evaluation of the Sensitivity and Response of IR Thermography from a
Transparent Heater in the Case of Liquid Jet Impingement J. of Physics:
Conference Series 395 (2012) 012083
»» Habermehl, M., Erfurth, J., Toporov, D., Förster, M., Kneer, R.:
Experimental and numerical investigations on a swirl oxycoal flame;
Applied Thermal Engineering 49 (2012) 161/169
93
Modellierung in der
Elektrochemischen
Verfahrenstechnik
Werner Lehnert
Brennstoffzellen stehen heute in mehreren Bereichen an der Schwelle zur
Markteinführung. Die drei wesentlichen Säulen des Fortschritts sind heute
die Materialtechnik, die elektrochemische Mechanismenforschung sowie
Modellierung und Simulation.
Durch Modellierung und Simulation wurde es möglich, die komplexen
Wechselwirkungen innerhalb der Brennstoffzellen besser zu verstehen. Die
Spanne der Modelle reicht von der Beschreibung grundlegender Aspekte
der Elektrochemie bis hin zu der Beschreibung von Gesamtsystemen. Wesentliche Effekte, die in den verschiedenen Komponenten einer Brennstoffzelle eine Rolle spielen sind Stoff-, Wärme- und Ladungstransport. Diese
sind gekoppelt mit elektrochemischen Reaktionen. Der Schwerpunkt der
Arbeiten liegt zum einen in der Aufklärung von grundlegenden physikalisch/chemischen Zusammenhängen insbesondere in den mikroporösen
Strukturen der Zellen. Zum anderen besteht die Herausforderung, die dort
gewonnenen Erkenntnisse in den Bereich der Zell- und Stackmodellierung
zu transferieren. Die hieraus folgenden Modelle zur makroskopischen Beschreibung von Zellen und Stacks werden benötigt, um die Auslegung von
Stacks durch Simulationen zu unterstützten.
IEK - 3 Elektrochemische Verfahrenstechnik
Modellierung in der Elektrochemischen Verfahrenstechnik
52425 Jülich
Tel.: +49 2461/61-3915
Fax: +49 2461/61-6695
[email protected]
www.fz-juelich.de
Energietechnik, Verfahrenstechnik
Die Schwerpunkte sind:
»» Modellierung und Simulation von Brennstoffzellen auf Stack- Zell- und
Zellkomponentenebene. Auf der Zellkomponentenebene werden Lattice-Boltzmann Methoden zur Beschreibung von Stofftransporteffekten
in porösen Medien entwickelt. Im Bereich der Zell- und Stackebene
wird neben dem kommerziellen CFD-Tool Fluent verstärkt das Open
Source Tool OpenFOAM eingesetzt.
»» Entwicklung von HT-PEFC (Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen) Stacks bis 5kWel für den Betrieb mit Wasserstoff bzw.
wasserstoffhaltigem Reformat. Die Auslegung von Zellen und Stacks
sind Schwerpunkte der Arbeiten.
»» Entwicklung von Elektroden und Membran-Elektroden-Einheiten
(MEA) für HT-PEFCs. Die Elektroden werden im Rakelverfahren
hergestellt und anschließend getestet.
»» Schwerpunkte
Modellierung und Simulation von Brennstoffzellen, Entwicklung von
Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFC)
»» Personal
94
»» Modellierung und Simulation von Hochtemperatur-PolymerelektrolytBrennstoffzellenstapeln
»» Untersuchung des Betriebsverhaltens von Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen
Modelle, die zur Auslegung Stacks verwendet werden, müssen in der Lage
sein, den Einfluß der geometrischen Zellstruktur auf das Betriebsverhalten
zu beschreiben. Eine detaillierte Beschreibung auf Elektrodenebene findet
üblicherweise nicht statt; die porösen Strukturen und die Elektrochemie
werden im Rahmen von Kontinuumsmodellen berücksichtigt. Experimentell
bestimmte Parameter beziehungsweise Parameter, die aus Detailmodellen
bestimmt wurden, fließen in die Simulationen ein. Die Modellgleichungen
zur Beschreibung der kathodischen und anodischen Verluste werden mittels User Defined Funtions (UDFs) in das Simulationstool Fluent integriert.
Aufgrund des Brenngases, welches CO enthält, wird zusätzlich die anodenseitige Katalysatorvergiftung durch diese Gaskomponente berücksichtigt.
Das Betriebsverhalten von Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen bei Einsatz von Dieselreformat als Brenngas wird experimentell untersucht. Im IEK-3 entwickelte Stacks bilden die hardwaremäßige
Grundlage für die Untersuchungen. Aufgrund von Messungen der Stromdichteverteilung im Stack und Stromspannungskennlinien konnte gezeigt
werden, dass die Strömungsführung der Gase und des Kühlmediums
wesentlichen Einfluß auf die Lebensdauer der Stacks haben. Bei Betrieb
der Stacks mit Dieselreformat zeigte sich die homogenste Stromdichteverteilung in der Zellebene wenn Brenngas und Luft im Gegenstrom und das
Kühlmedium im Gleichstrom mit dem Anodengas geführt wurden. Gleichzeitig zeigte sich bei dieser Strömungsführung die höchste Lebensdauer im
Vergleich zu anderen untersuchten Strömungsführungen.
Ein wesentlicher Aspekt der Arbeiten ist die Modellverifikation. Sowohl
Einzelzellen als auch Zellstapel bis in den kW-Leistungsbereich werden
entwickelt, gebaut und detailliert vermessen. Neben den globalen StromSpannungskurven wurden lokale Stromdichte-und Temperaturverteilungen
in Stacks gemessen. Diese Messungen dienen zur Verifikation der Modelle.
Links: Versuchsaufbau zur Messung der Stromdichteverteilung in einem
5 zelligen HT-PEFC. Stack.
Rechts: Segmentierte Platine zur Messung der Stromdichteverteilung
(S++)
Simulierte und gemessene Stromdichteverteilung in einem HT-PEFC
Stack. Mittlere Stromdichte: 0.4 A/cm^2, mittlere Temperatur: 160°C, A:
Strömungsrichtung des Reformatgases, B: Strömungsrichtung der Luft,
Öl: Strömungsrichtung des Kühlmediums
95
»» 3D-Analyse, Modellierung und Simulation der Mikrostruktur und
Transportprozesse in faserbasierten porösen Werkstoffen
»» Phosphorsäureverteilung in Membran-Elektroden-Einheiten von
Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen
Im Mikrometerbereich sind die morphologischen Struktureigenschaften
komplexer Porensysteme eng verknüpft mit Nutzungseigenschaften poröser Materialien, insbesondere mit Eigenschaften von Ein- und Zweiphasentransportprozessen im Porenraum, aber auch mit den elektrochemischen
Eigenschaften. Auf Grundlage synchrotrontomographischer Daten werden
in Kooperation mit dem Institut für Stochastik der Universität Ulm Modelle
zur Darstellung der Feinstruktur der faserbasierten porösen GDL erstellt.
Die Datenbasis für die Strukturmodelle kommt entweder aus 2D rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen oder 3D Synchrotrontomographiedaten, wobei letztere in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin generiert werden. Basierend auf den stochastischen 3D Strukturmodellen wird
der Gastransport in den porösen Schichten mit der Lattice-Boltzmann Methode detailliert im IEK-3 simuliert. Aus der Kopplung von stochastischen
Struktur- und numerischen Transportmodellen ergeben sich Erkenntnisse
über den Zusammenhang von Fertigungsparametern auf die Struktur/Stofftransporteigenschaften.
In HT-PEFCs wird mit Phosphorsäure beladenes Polybenzimidazol als
Elektrolyt in den Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) eingesetzt. Der
Elektrolyt zeichnet sich dabei durch eine hohe protonische Leitfähigkeit bei
Arbeitstemperaturen um 160 °C aus. Um die Leistung sowie die Lebensdauer von HT-PEFCs zu erhöhen ist es notwendig MEAs herzustellen, in
denen sich die Verteilung der Phosphorsäure innerhalb der Membran und
den Katalysatorschichten genau einstellen lässt. Mittels hoch orts- und zeitaufgelöster in-situ Messungen mit Synchrotronstrahlung konnte die lokale
Verteilung der Phosphorsäure innerhalb der MEA sichtbar gemacht werden, ohne den Brennstoffzellenbetrieb zu unterbrechen. Es konnte darüber
hinaus gezeigt werden, dass sich das Gleichgewicht zwischen Ortho- und
Pyrophosphorsäure in der MEA als Funktion der Betriebsbedingung ändert;
die Wasserproduktion aufgrund der elektrochemischen Reaktion führt zu
einer Verdünnung der Phosphorsäure.
Zelle zur Messung der Phosphorsäureverteilung in einer HT-PEFC mittels
X-ray Synchrotronradiographie.
Die roten Pfeile stellen die Strahlrichtung dar.
Das Ergebnis dieser ganzheitlichen mathematischen Modellierung ist die
Entwicklung und Implementierung effizienter Simulationsalgorithmen für
virtuelle Szenarienanalysen auf Supercomputern des Forschungszentrums
Jülich, um gleichzeitig 3D-Materialstruktur und Stofftransport in großen Gebieten hochaufgelöst analysieren zu können. Das Ziel ist die Identifikation
morphologischer Mikrostrukturen, die günstig für den Stofftransport sind.
Mit Lattice Boltzmann Simulationmethoden berechnete Strömungsverteilung in einer Gasdiffusionslage einer PEFC.
96
»» M. Kvesić, U. Reimer, D. Froning, L. Lüke, W. Lehnert, D. Stolten:
3D Modeling of a 200 cm2 HT-PEFC Short Stack
Int. J. Hydrogen Energy 37 (2012) 2430-2439
»» G. Gaiselmann, R. Thiedmann, I. Manke, W. Lehnert, V. Schmidt:
Stochastic 3D Modeling of Fiber-Based Materials
Computational Materials Science 59 (2012) 75-86
»» M. Kvesić, U. Reimer, D. Froning, L. Lüke, W. Lehnert, D. Stolten:
3D Modeling of a HT-PEFC Stack Using Reformate Gas
Int. J. Hydrogen Energy, 2012, 37 (2012) 12438 – 12450
»» W. Maier, T. Arlt, K. Wippermann, C. Wannek, I. Manke, W. Lehnert,
D. Stolten:
Correlation of Synchrotron X-ray Radiography and Electrochemical Impedance Spectroscopy for the Investigation of HT-PEFCs
J. Electrochem. Soc 159 (2012) F398-F404
»» L. Lüke, H. Janßen, M. Kvesić, W. Lehnert, D. Stolten:
Performance Analysis of HT-PEFC Stacks
Int. J. Hydrogen Energy 37 (2012) 9171-9181
97
Lehrstuhl
für Technologie
Optischer Systeme
Peter Loosen
»» Optische Systeme für Laserquellen und -anlagen
Anspruchsvolle optische Systeme sind in vielen Fällen entscheidende
Komponenten, um die Leistungsfähigkeit des Lasers in Produktionsvorteile umsetzen zu können. Dies betrifft z.B. hochkorrigierte Fokussiersysteme für hohe Laserleistungen, Einrichtungen zur Strahlhomogenisierung
oder innovative Systeme zur Strahlformung und -führung. Die Kompetenzen des Lehrstuhls umfassen das fertigungs- und montagegerechte
Optik-Design, die Montagetechnik sowie die Intergration von Aktoren und
Sensoren zur Realisierung aktiver und geregelter optischer Systeme.
TOS - Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Tel.: +49 241/890-6186
Fax: +49 241/890-6121
»» Optische Systeme für Beleuchtungsanwendungen
[email protected]
www.tos.rwth-aachen.de
Moderne Leuchtmittel wie LEDs oder OLEDs verlangen für die Ausnutzung der prinzipbedingt hohen Wirkungsgrade nach optischen
Systemen, die das Licht verlustarm und zielgerichtet lenken. Die
Kompetenzen des Lehrstuhls liegen hier in der Auslegung multifunktionaler optischer Elemente auf Basis von Freiformflächen.
Produktionstechnik, Konstruktion und Entwicklung, Verkehrstechnik,
Grundlagen des Maschinenwesens
»» Technologie der extrem ultravioletten Strahlung
Der Einsatz der extrem ultravioletten Strahlung (XUV, 1-50 nm oder EUV,
Wellenlänge um 13,5 nm) ermöglicht wegen ihrer kurzen Wellenlänge, ihrer
charakteristischen Wechselwirkung mit Materie und aufgrund großer Fortschritte bei Strahlungsquellen und Optiken neue optische, fertigungstechnische und analytische Verfahren.
»» Schwerpunkte
Optische Systeme für Laser, Laser-Anwendungen und Beleuchtung,
Technologie der extrem-ultravioletten Strahlung
»» Personal
98
»» Automatisierte Montage optischer Systeme
»» Aktive, strahlhomogeneisierende Bearbeitungsoptik
Die Fertigung von optischen Systemen im Laserbereich stützt sich heutzutage immer noch auf manuelle Prozesse, was zur Folge hat, dass ein Großteil der Wertschöpfung beim Laserbau in der manuellen Montage liegt. Um
die deutsche Marktführerschaft im Laserbereich auch weiterhin behaupten
zu können, soll die Fertigung von Lasern automatisiert werden. Die Herausforderung liegt hier in den kleinen zu produzierenden Stückzahlen und
der damit verbundenen hohen Individualität jedes Lasers. Im Rahmen des
Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechniken für Hochlohnländer“
werden am Lehrstuhl Methoden und Algorithmen entwickelt, welche eine
selbstoptimierende Montage ermöglichen. Hierbei liegt ein besonderes
Augenmerk auf der Wirtschaftlichkeit der Prozesse, sodass Systeme mit
geringen Rüstzeiten und hoher Flexibilität entwickelt werden. Daneben
sollen aber auch die heutigen Möglichkeiten von Präzisionstechnik in der
Montage ausgeschöpft werden, um so einzelne optische Elemente präzise
zu montieren und die Bauteiltoleranzen zu relativieren. Somit soll nicht nur
die Leitungsfähigkeit des Produkts „Laser“ erhöht werden, sondern auch
die automatisierte Montage der manuellen überlegen sein.
Bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile führt die Verwendung thermoplastischer, endlos-glasfaserverstärkter Werkstoffe (GFK)
zur signifikanten Verbesserung der mechanischen- sowie verfahrenstechnischen Eigenschaften. Die Herstellung von GFK-Bauteilen erfolgt durch
Verschweißen mehrerer Schichten von endlos-glasfaserverstärkten Thermoplaststreifen nach Erwärmung durch Absorption von Laserstrahlung. Im
Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts „Energieeffiziente Produktion
von endlos-glasfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffbauteilen GreenGlassFiber“, wird vom Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme
(TOS) der RWTH Aachen eine aktive, strahlhomogenisierende Optik für die
Verwendung mit HighPower-CO2-Laserstrahlung entwickelt. Zur Herstellung eines prozessspezifischen Temperaturprofils wird das Rohstrahlprofil
in eine rechtecksymmetrische, homogene Brennfleckgeometrie transformiert. Die Strahlformung erfolgt durch zylindrisch facettierte Kupferspiegel.
Ein hohes Maß an Energieeffizienz wird durch die Variation des optischen
Systemverhaltens an den Bearbeitungsprozess erzielt.
Realisierte aktive Optik
Automatisierte Lasermontage
Die Bearbeitung unterschiedlicher Bauteilgeometrien erfordert eine Adaption der Brennfleckgeometrie und damit der strahlformenden Eigenschaften
des Systems. Die Einkopplung der Bearbeitungsenergie kann somit hoch
effizient erfolgen. Die gezielte Beeinflussung des optischen Systemverhaltens erfolgt durch die Rekonfiguration des Strahlengangs während der
Prozesslaufzeit unter Ausnutzung der beim Optikdesign berücksichtigen
Freiheitsgrade. Aufgrund der Verwendung durchgehend reflektierender
Optiken und des in Folge realisierten gefalteten Strahlengangs, benötigt die
Umorientierung der optischen Komponenten ein hohes Maß an Präzision.
Diese Forderung kann durch die Integration piezoelektrischer Rotationsund Linearaktorik erfüllt werden.
99
»» Nanostrukturierung mit EUV Laborbelichtungssystem (EUV-LET)
Für viele industrielle Anwendungen der Nanotechnologie wird eine Herstellungsmethode benötigt, die es ermöglicht, nanoskalige, periodische
Strukturen über große Flächen mit geringem Zeit- und Kostenaufwand zu
realisieren. Die Entwicklung kurzwelliger Strahlungsquellen eröffnet neue
Lösungsansätze in diesem Bereich.
Unter Verwendung von gasentladungs-basierten Strahlungsquellen für extrem ultraviolette Strahlung (EUV, λ = 5 nm – 15 nm) werden eigens entwickelte Transmissionsmasken, die ihrerseits mit entsprechenden periodischen Strukturen versehen sind, belichtet. Hinter der Transmissionsmaske
entstehen in definierten Abständen Selbstbilder der Transmissionsmaske.
Diese werden dann in einem fotosensitiven Medium aufgenommen und
nach einer Entwicklungsprozedur sichtbar gemacht, vergleichbar zur traditionellen Fotografie. Auf Grund der einzigartigen Strahlungscharakteristik
der EUV-Quelle ist es sowohl möglich, die Maskenstrukturen zu reproduzieren als auch diese um einen Faktor 2 zu verkleinern.
In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ILT wurde auf Grundlage vorhergehender Untersuchungen eine EUV Belichtungsanlage für Probengrößen
bis 100 mm Durchmesser realisiert (EUV-LET - Laboratory Exposure Tool).
Mit Hilfe von hochpräzisen Positionierungs- und Ausrichtungssystemen ist
es möglich, den Abstand zwischen Maske und zu strukturierender Probe
mit 10 nm Präzision zu kontrollieren. Innerhalb einer Belichtungszeit von
ca. 1 Minute können periodische Nanostrukturen über Felder bis zu 4 mm²
auf der zu belichtenden Probe erzeugt werden. Die nachgewiesene Auflösung des EUV-LET erreicht 10 nm. Die ersten Ergebnisse bestätigen das
Potential des EUV-LET bezüglich der Auflösung, Flexibilität und industrieller Umsetzung.
Für diverse Forschungseinrichtungen aus dem Bereich der Nanotechnologie bietet das EUV-LET die Möglichkeit, groß-flächig periodische Strukturen zu erzeugen. Mit Hilfe einer solchen Nanostrukturierungsanlage kann
ebenfalls der wachsende Markt der Nanostrukturierung effektiv bedient
werden, was besonders für kleine und mittlere Unternehmen relevant ist.
Realisierte EUV-Nanostrukturierungsanlage EUV-LET
100
»» Bäuerle, A., Bruneton, A., Westerm R., Stollenwerk, J., Loosen, P.:
Algorithm for irradiance tailoring using multiple freeform optical surfaces.
OPTICS EXPRESS 20, Nr 13; 14477-14485 (2012)
»» Gatej, A., Pyschny, N., Loosen, P., Brecher, C. :
Robot-based resistance soldering of optical components.
Soldering & Surface Mount Technology 24, Nr 2, 112-119 (2012)
»» Brose, S., Danylyuk, S., Juschkin, L., Dittberner, C., Bergmann, K.,
Moers, J., Panaitov, G., Trellenkamp, St. , Loosen, P., Grützmacher, D.,:
Broadband transmission masks, gratings and filters for extreme ultaviolet
and soft X-ray lithography.
THIN SOLID FILMS 520, 5080-5085 (2012)
»» Gatej, A., Wasselowski, J., Loosen, P.:
Using adaptive weighted least squares approximation for coupling thermal
and optical simulation.
APPLIED OPTICS 51, Nr 28; 6718-6725 (2012)
»» Brecher, C., Schmitt, R., Loosen, P., Guerrero, V., Pyschny, N.,
Pavim, A., Gatej, A.:
Self-optimizing approach for automated laser resonator alignment.
OPTICS AND LASERS IN ENGINEERING 50, 287-292 (2012)
101
Aachener
Verfahrenstechnik
Prozesstechnik
Wolfgang Marquardt
AVT.PT - Aachener Verfahrenstechnik - Prozesstechnik
Turmstraße 46
52064 Aachen
Tel.: +49 241/80-94668
Fax: +49 241/80-92326
[email protected]
Verfahrenstechnik, Computational Engineering Science
»» Schwerpunkte
Forschung und Lehre zur modellbasierten Entwicklung und zum modellgestützten Betrieb verfahrenstechnischer Prozesse und Anlagen
»» Personal
Unsere Forschung deckt unterschiedlichste Gebiete der Prozesstechnik ab,
wobei Methoden der klassischen Ingenieurwissenschaften, der Informatik
und der Mathematik verbunden werden. Die Arbeiten konzentrieren sich
auf die Erstellung von Methoden zur mathematischen Modellierung sowie
zur Verfahrensentwicklung und –regelung und auf die Zusammenführung
von Experiment und Modell. Dabei wird die Entwicklung von numerischen
Algorithmen und Software-Werkzeugen eingeschlossen. Die AlgorithmenForschung ist in die Aktivitäten des Graduiertenkollegs AICES und der German Research School of Simulation Sciences integriert. Ergänzt wird der
methodische Schwerpunkt durch industrielle Anwendungen. Die Spin-offs
AixCape und S-PACT unterstützen zusätzlich den Technologietransfer.
Die Methodenentwicklung erfolgt in den folgenden drei Bereichen:
»» Modellgestützte experimentelle Analyse:
Entwicklung einer Methodik zur modellgestützten Planung und
Auswertung von Experimenten für die Modellierung kinetischer Phänomene in mehrphasigen und reaktiven Systemen.
»» Prozesssynthese:
Entwicklung konzeptioneller Methoden zur modellgestützten Analyse, Synthese und Optimierung von (integrierten) Reaktions- und Trennprozessen.
»» Optimierungsbasierte Regelung:
Verfahren zur modellgestützten Regelung, Überwachung und Echtzeitoptimierung von Batch- und Kontiprozessen.
Anwendungsschwerpunkte der entwickelten Methoden sind die Umwandlung von Biomasse in Kraftstoff und Chemikalien im Rahmen des Exzellenzclusters „Tailor-made Fuels from Biomass“, die Aufbereitung von
Frisch- und Abwasser sowie Maßnahmen zur energieeffizienten Gestaltung
von Prozessen. Fragestellungen werden über mehrere Größenordnungen
verfolgt, so dass unsere Beispiele von der Bestimmung vielversprechender
chemischer Reaktionswege, über die Modellidentifizierung zur Wärmeübertragung beim Sieden bis hin zum Entwurf von Gesamtprozessen mit
Optimierungsmethoden reichen.
102
»» Inkrementelle Methode zur Identifizierung des kinetischen Modells
einer Friedel-Crafts-Alkylierung in einem zweiphasigen System
»» Entwurf und Optimierung verfahrenstechnischer Prozessen
Die Identifikation von kinetischen Modellen ermöglicht die modellbasierte
Analyse, Auslegung und Regelung komplexer Prozesse in der chemischen
Industrie. Als Grundlage für die Identifikation werden Modellstrukturen benötigt, die sich an den zugrundeliegenden Mechanismen des kinetischen
Prozesses orientiert. In mehrphasigen Systemen sind diese Mechanismen
teils sehr komplex, was aus einer direkten Kopplung von Stofftransport und
Reaktion resultiert. Dementsprechend ergeben sich in einem Identifikationsprozess komplexe Modellstrukturen, in denen die gekoppelten Mechanismen abgebildet sind.
Ein möglicher Ansatz um die einzelnen Beiträge der Mechanismen zu identifizieren ist die Methode der Anfangsreaktionsgeschwindigkeiten. Diese
Methode ist jedoch durch einen sehr hohen experimentellen Aufwand gekennzeichnet. Eine neue Methode, welche sich durch eine inkrementelle
Identifikation der verschiedenen mechanistischen Beiträge auszeichnet,
wird gegenwärtig in der Aachener Verfahrenstechnik – Prozesstechnik entwickelt. Die inkrementelle Methodik ermöglicht es in Hinblick auf mehrphasige Systeme, die Beiträge von Stofftransport und Reaktion entkoppelt zu
quantifizieren. Damit ergibt sich eine effiziente Identifikation des Gesamtmodells mit einem deutlich geringeren experimentellen Aufwand.
Der Entwurf und die Optimierung verfahrenstechnischer Prozessen
spielt insbesondere im Kontext sich wandelnder Rohrstoffquellen eine
große Rolle in der chemischen Industrie . Die Identifikation von optimalen Syntheserouten und Verfahrensfließbilder stellt dabei eine komplexe Entwurfsaufgabe dar. Innovative Grundoperationen und der
mögliche Einsatz neuartiger Lösungsmittel erweitern zwar die Möglichkeiten, aber komplizieren den Entwurfsprozess genauso wie variierende Rohstoffquellen und die Menge möglicher Zwischenprodukte.
In einer Simulationsstudie konnte die inkrementelle Methodik bereits
erfolgreich getestet. In gegenwärtigen Arbeiten wird die Methodik mit
experimentellen Daten verschiedener mehrphasige Systeme evaluiert.
An der AVT.PT werden optimierungsbasierte Entwurfsmethodiken entwickelt, um den Entwurfsingenieur in seinem Arbeitsprozess zu unterstützen
und diesen zu beschleunigen. Das Hauptziel ist dabei einen Beitrag zur
effizienten und nachhaltigen Lösung der heutigen und zukünftigen Probleme des verfahrenstechnischen Prozessentwurfs zu leisten. Durch die Anwendung entsprechender optimierungsbasierter Methodiken, an Stelle von
Simulationsstudien, kann der Aufwand im konzeptionellen Entwurfsprozess
beträchtlich reduziert werden. Ein eindrucksvolles Beispiel für das Potential eines systematischen und optimierungsbasierten Prozessentwurfs stellt
der Entwurf eines neuartigen Extraktions-Destillations Hybridprozesses für
die biobasierte Produktion von Butanol über die Aceton-Butanol-Ethanol
(ABE) Fermentation dar. Durch den optimierten Prozessentwurf konnten
sowohl Energiebedarf, als auch die annualisierten Gesamtkosten im Vergleich zum bisherigen Trennprozess zu großen Teilen reduziert werden.
Inkrementelle Methode
Entwurf und Optimierung verfahrenstechnischer Prozessen
103
»» Sensitivitätsbasierte Ansätze zur dezentralen koordinierten modellprädiktiven Regelung und Zustandsschätzung
Dezentrale Regelungs- und Zustandsschätzmethoden sind ein aktueller
Forschungsschwerpunkt der Regelungstechnik, wobei dabei verschiedene
Aspekte untersucht werden: Die Datenübertragung, die Zuverlässigkeit,
die Instandhaltung sowie die Rechenzeit. Dabei ermöglichen dezentrale
Regelungs- und Schätzmethoden völlig neue Anwendungen – von autonomen Fahrzeugen bis hin zu großen Anlagen der chemischen Industrie.
Insbesondere letztere bestehen üblicherweise aus einzelnen Teilprozessen
und bieten sich dadurch besonders für diese neuartigen koordinierten Methoden an.
Zusätzlich haben wir für S-DMPC und S-PMHE eine Reihe theoretischer
Eigenschaften nachgewiesen, wie zum Beispiel Konvergenz zur Lösung
der zugehörigen zentralen Methoden. Die Ergebnisse numerischer Simulationen, wie beispielsweise eines Benzol-Alkylierungs-Prozesses, sind
vielversprechend und ermutigen uns, das Potential dieser Methoden weiter
zu erforschen.
Veranschaulichung der iterativen Lösungsmethodik anhand eines QP
In diesem Zusammenhang haben wir am AVT.PT kürzlich eine neue
sensitivitätsbasierte Methode zur verteilten, modellprädiktiven Regelung
(S-DMPC) und zur verteilten Zustandsschätzung auf bewegtem Horizont
(S-PMHE) entwickelt. Unter der Annahme einer komplett zerlegbaren Zielfunktion des Gesamtsystems lassen sich die Zielfunktionen der Teilsysteme derart modifizieren, dass das Ergebnis ebenso optimal wie bei zentralen Methoden ist. Da die Veränderung der Zielfunktionen für die einzelnen
Teilsysteme eine Linearisierung im Hinblick auf benachbarte Teilsysteme
beinhaltet, nennen wir unsere Methode zur verteilten Regelung und Schätzung „sensitivitätsbasiert“.
Konvergenz der Lösung des S-DMPC Reglers zu der eines zentralen
Reglers
104
»» Korbinian Krämer, Andreas Harwardt, Rob Bronneberg, Wolfgang
Marquardt:
Separation of butanol from acetone–butanol–ethanol fermentation by a
hybrid extraction–distillation process,
Computers & Chemical Engineering, 2011, 35(5) 949-963
»» Holger Scheu, Wolfgang Marquardt:
Sensitivity-based coordination in distributed model predictive control.
Journal of Process Control, 2011, 21(5), 715 – 728
»» C. Michalik, M. Brendel, W. Marquardt:
Incremental Identification of Fluid Multi-Phase Reaction Systems,
AIChE Journal 55 (2009) 1009-1022.
»» A. Voll, W. Marquardt:
Reaction network flux analysis: Optimization-based evaluation of reaction
pathways for biorenewables processing,
Aiche Journal, 58 (2012) 1788-1801.
»» René Schneider, Holger Scheu, Wolfgang Marquardt:
An iterative partition-based moving horizon estimator for large-scale linear
systems.
In: ECC 13 (European Control Conference), Zürich, Switzerland,
17-19.07.2013 (accepted)
105
Multi-Scale Modelling
of Molecular
Transformations
Juniorprof. Dr.
Ahmed E. Ismail, Ph.D.
AVT.MST - Aachener Verfahrenstechnik Multi-Scale Modelling of Molecular Transformations
Aachen Institute for Advanced Study in Computational Engineering
Science (AICES)
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Schinkelstraße 2
52056 Aachen
Tel.: +49 241/80-99128
Fax: +49 241/80-628498
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www.mst.rwth-aachen.de
Verfahrenstechnik, Computational Engineering Science
»» Schwerpunkte
Molekulare Modellierung, Materialwissenschaft, Polymere und Biopolymere
»» Personal
106
Molekulare Simulationen
Multiskalen Modellierung
Auflösung der Zellulose
Simulationen der Gernzfläche
Verbesserte Algorithmen für molekulare Simulationen
»» Moleküldynamiksimulationen von Zelluloseauflösung
Die Auftrennung von Lignocellulose-Biomasse in ihren Komponenten Zellulose, Lignin und Hemizellulose ist die größte Herausforderung um Brennstoff-Produktion aus Zellulose-Biomasse ökologisch und wirtschaftlich
durchführbar zu machen. Ionische Flüssigkeiten und Medien wie “Organocat” und “Organosolv” wurden als potenzielle Lösungsmittel für Biomasse
vorgeschlagen, aber die Mechanismen, wie diese Materialien auf molekularer Ebene arbeiten, sind noch nicht gut verstanden. Wir verwenden
Molekulardynamik-Simulationen um die strukturellen, thermodynamischen
und Transporteigenschaften der Lösungsmittel-Medien sowohl isoliert als
auch in Interaktion mit Wasser und Zellulose zu untersuchen. Durch die
Beobachtung der Änderungen in der chemischen Struktur des Lösungsmittels im Prozess, geben wir Empfehlungen zu Verarbeitungsbedingungen
und Lösungsmittelwahl, welche die Effizienz und Effektivität der Auftrennung verbessern. Zudem entwickeln wir durch Kopplung der atomistischen
Berechnungen mit “grobkörnigen” Methoden, wie kinetische Monte Carlo
Techniken, mathematische Modelle für die Simulation der Auflösung der
gesamten Zellstoffbündel. Diese Modelle werden qualitative und quantitative Vorhersagen des Verhaltens liefern, die innerhalb des Excellenzclusters
Tailor-Made Fuels from Biomass mit den Ergebnissen von Experimenten
der Kollegen verglichen werden können.
Eine Kette ionischer Flüssigkeiten (orange, grüne und rote Sphäre) um
eine Zellulosemolekül
»» Struktur und Dynamik von Grenzflächen
Viele interessante physikalische und technische Vorgänge finden an
Grenzflächen zwischen Materialien statt, besonders an FlüssigkeitsDampf-Schnittstellen auf der Flüssigkeits-Festkörper-Grenzfläche,
oder wo mehrere Flüssigkeiten oder Feststoffe in Berührung kommen.
Aktuelle Forschung in diesem Bereich ist die Untersuchung des Phänomens des sogenannten “Superspreading”. Dieser Effekt tritt bei bestimmten
Tensiden auf, die in der Lage sind, die Oberflächenspannung von Wasser
so stark zu verringern, dass die Benetzungseigenschaften auf verschiedensten Oberflächen vollständig Verändert werden.
Problematisch ist allerdings die starke Toxizität dieser Materialien, was die
Notwendigkeit hervorbringt, umweltfreundliche Alternativen mit gleichen Eigenschaften zu finden. Deshalb forschen daran, wie die chemische Struktur dieser Tenside die Oberflächenspannung und damit die Ausbreitung
auf Oberflächen direkt beeinflusst. Diese Arbeit wird dazu genutzt um die
Eignung mehrerer verschiedener Simulationstechniken für die Simulation
des Verhaltens an Grenzflächen zu untersuchen. Wir untersuchen auch,
wie sich Moleküldynamiksimulation und Kontinuumsmechaniksimulation
verbinden lassen um die Struktur und Dynamik von Polymerbürsten zu
erforschen. Diese Materialien, die als Beschichtungs- und Gleitmittel verwendet werden, weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die denen von
typischen Polymerschmelzen oder -lösungen sehr verschieden sind.
Die systematische Bestimmung des Verhaltens dieser Materialien ist aufgrund der großen Längen- und Zeitskalen sehr komplex; zudem muss eine
große Anzahl an Freiheitsgraden, wie “Bürstendichte”, Kettenlänge der
“Bürstenhaare” und die chemische Zusammensetzung des Polymers berücksichtigt werden.
Molekulare und Finite-Elemente Simulationen des Eindrucks einer
Polymerbürste
»» Bessere Algorithmen für molekulare Simulationen
„Neben der reinen Anwendung, arbeiten wir auch an der Entwicklung besserer Methoden, die uns genauer und effizienter zu den Ergebnissen führen als dies mit bestehenden Tools möglich ist. So haben wir beispielsweise
die erste Implementierung eines “particle-particle-particle-mesh” Solvers
für die Langstrecken-Dispersion Wechselwirkungen zwischen ungebundenen Atomen durchgeführt und erfolgreich eingesetzt. Derzeit arbeiten wir
an der Entwicklung noch effizienterer Werkzeuge, wie z. B. eines linearen
Zeit-Solvers der die kürzlich eingeführten mehrstufigen Summation-Methoden aufgreift. Weitere Techniken sind aber erforderlich, um atomistische
Simulationen bei größeren Längen- und Zeitskalen zu ermöglichen. Selbst
mit den Fortschritten in Richtung Exascale Computing, sind wir heute mit
atomistischen Simulationen nur in der Lage Modellierungssysteme in der
Größenordnung von zehn Nanometern und Mikrosekunden durchzuführen.
Um diese Einschränkungen umzugehen, entwickeln wir Methoden, die es
durch “multiresolution, adaptive refinement” ermöglichen die Detailtiefe in
einer Simulation zu beschränken. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mehrskalenmethoden sind diese Methoden anpassungsfähig in Hinblick auf eine
Vielzahl unterschiedlicher Systeme und bieten integrierte Strategien sowohl für die Grob-Körnung als auch für Reverse-Mapping-Verfahren. Auch
diese Verfahren sind sehr effizient und ermöglichen einen hohen Grad an
Vergröberung, so dass Hunderte von Wiederholungseinheiten eines Polymers zu einem einzigen “Körper” zusammengefasst werden können.
Trisiloxan-“Superspreaders“ an der Luft-Wasser-Grenzfläche
107
»» RE Isele-Holder, W Mitchell, and AE Ismail:
Development and application of a particle-particle particle-mesh Ewald
method for dispersion interactions.
J. Chem. Phys., 137, 174107 (2012).
»» BD Rabideau and AE Ismail:
The Effects of Chloride Binding on the Behavior of Cellulose-Derived Solutes in the Ionic Liquid 1-Butyl-3-methylimidazolium Chloride
J. Phys. Chem. B. 116, 9732 (2012).
»» BL Peters, JMD Lane, AE Ismail, and GS Grest:
Fully-atomistic simulations of the response of silica nanoparticle coatings
to alkane solvents.
Langmuir. 28, 17443 (2012).
»» RE Isele-Holder, BD Rabideau, and AE Ismail.
„Definition and Computation of Intermolecular Contact in Liquids using
Additively Weighted Voronoi Tessellation.“
J. Phys. Chem. A. 116, 4657 (2012).
108
Aachener
Verfahrenstechnik
Systemverfahrenstechnik
Die Systemverfahrenstechnik (Process Systems Engineering) befasst sich
mit rechnergestützten Methoden für die Verfahrenstechnik, d.h. Modellierung, Simulation und Optimierung.
Univ.-Prof. Dr.
Alexander Mitsos, Ph.D.
Ziele sind insbesondere Prozessentwurf (Process Synthesis), Prozessoptimierung (Process Optimization), Prozessregelung und Prozessführung
(Process Control). Systemverfahrenstechnik ist in der Schnittmenge zwischen Verfahrenstechnik und angewandter Mathematik/computational engineering.
AVT.SVT - Aachener Verfahrenstechnik Systemverfahrenstechnik
Der Fokus der Forschung der AVT.SVT liegt in der optimalen Auslegung
neuartiger chemischer Prozesse und Energiesysteme, basierend auf bestehenden und neuen Design- und Optimierungsmethoden. Parallel dazu
besteht ein methodisches Interesse in der Entwicklung von Optimierungsalgorithmen und deren Anwendung auf reale Prozesse. Dabei werden
eine Reihe von chemischen Prozessen und Energiesystemen in Betracht
gezogen, mit einem besonderen Fokus auf Sonnenwärmekraftwerken,
Meerwasserensalzungsanlagen, sowie CO2-Abscheidung und Polymerizationsprozesse. Im Bereich der Optimierung liegt der Schwerpunkt auf der
deterministischen globalen Optimierung, insbesondere von eingebeteten
Problemen (bilevel, semi-infinite).
Tel.: +49 241/80-9 4668
Fax: +49 241/80-9 2326
Neben dem gemeinsamen Arbeiten in unserem Team bestehen RWTHinterne und externe Kooperationen.
Turmstraße 46
52064 Aachen
[email protected]
Verfahrenstechnik
»» Schwerpunkte
Optimierung von Energie- und Verfahrenstechnischen Systemen, Chemische Thermodynamik, Entwicklung von numerischen Algorithmen für
(globale) Optimierung
»» Personal
109
»» Konzentrierte Solarenergie
Konzentrierte Solarenergie (engl: concentrated solar power (CSP)) hat
das Potential zur bezahlbaren und nachhaltigen Energieproduktion, doch
bis dahin müssen noch einige Herausforderungen überwunden werden.
Zur Planung und Optimierung neuer wie bestehender Anlagen nutzt unsere Gruppe Simulations- und Optimierungsalgorithmen, die dem neusten
Stand der Forschung entsprechen. Wir haben zu dem CSPonD-Konzept
beigetragen, in dem Heliostate auf Anhöhen platziert werden und Energie
in ein flüssiges Salzbad einspeisen, welches bei hoher Temperatur betrieben wird. Wir haben Methoden für die optimale Kombination und den optimalen zeitveränderlichen Betrieb der gemeinsamen Energieerzeugung und
Meerwasserentsalzung vorgestellt. Wir haben Werkzeuge zur Geländeauswahl und zur Positionierung der Heliostate entwickelt, die Höhendaten von
öffentlichen und privaten Geographischen Inforamtionssystemen nutzen.
Diese optimierungsbasierten Tools enthüllten neue Anordnungen zu denen
ein natürliches Turmkonzept sowie eine biomimetrische Spirale zur Platzierung der Heliostate gehören. Beide erlauben eine verbesserte Landnutzung und eine höhere solarthermische Effizienz. Momentan entwickeln wir
Ansätze zur optimalen Integration von Solarenergie und geothermischer
Energie mit fossilen Kraftstoffen.
Solange diese relaxierten Faktoren keine punktweise quadratische Konvergenz aufweisen, kann keine Verbesserung der Konvergenzordnung im
Vergleich zur Größenordnung der unterliegenden Berechnung der Grenzen
garantiert werden. Zusätzlich haben wir die Theorie um eine neue Relaxationsklasse von Chachuat erweitert, welche die McCormick-Relaxationen
mit sogenannten Taylor-Modellen kombiniert. Aufgrund dieser Ergebnisse
zielen wir auf die Entwicklung neuer Relaxationstechniken.
»» Kohlenstoffbindung und -speicherung
Fossilen Kraftstoffe wird vorausgesagt, den Großteil des Energiebedarfs
auch für die nächsten Jahrzehnte zu decken. Dies schürt das Interesse
an Technologien zur Kohlenstoffbindung und -speicherung (engl: Carbon
capture and sequestration (CCS)). Wir fokussieren uns auf SauerstoffVerbrennungsprozesse, bei denen Sauerstoff aus der Umgebungsluft
separiert wird. Dadurch erfolgt die Verbrennung in einer stickstofffreien Atmosphäre, was wiederum die CO2-Trennung durch Kondensation ermöglicht. Wir ziehen sowohl kurzfristige Lösungen mit Tieftemperatur-basierten
Luftzerlegern als auch mittelfristige Lösungen mit Membran-basierter
Trennung in Betracht. Wir haben Konzepte zum optimalen Design und
Betrieb des ITEA/ENEL-Kohle-Sauerstoff-Verbrennungsprozesses vorgestellt, welche demonstrieren, dass ein idealer Betrieb nur bei simultaner
Optimierung des chemischen Teils der Anlage und der Turbomaschinen
erreicht werden kann. Unsere Optimierung resultiert in einem Prozess,
der ideale Flexibilität gegenüber Änderungen der Kohleart und Betriebslast gewährleistet. Im Rahmen des Optimierungs- und Analyseprozesses
haben wir ein neues Designkriterium für regenerative Rankine-Kreisläufe
identifiziert, nämlich die Forderung nach dem gleichzeitigen Auftreten eines Pinches an zwei verschiedenen Orten in geschlossenen Speisewasservorwärmern. Für Membran-basierte Prozesse haben wir ein neues
Reaktordesign vorgeschlagen, sowie existierende Designs auf Systemebene analysiert und verbessert. Weiterhin haben wir eine neue Metrik zum
partiellen Vergleich von Emissionszyklen dargelegt, in der die Anlagen auf
Flottenebene verglichen werden. Ein Zyklus wird verworfen, wenn er durch
Linearkombinationen alternativer Zyklen übertroffen werden kann. Zukünftige Arbeiten beinhalten die Identifizierung optimaler Designs auf der
Prozessebene und die optimale Verknüpfung mit anderen Technologien.
»» Theorie und Algorithmen zur globalen Optimierung
Die Optimierung von chemischen und energetischen Systemen resultiert in
nichtkonvexen Optimierungsproblemen deren optimale Lösung nur durch
deterministische globale Löser garantiert werden kann. Diese verwenden
oft konvexe/konkave Relaxationen, d.h. konvexe bzw. konkave Funktionen,
die Funktionen des Optimierungsproblems unter- bzw. überschätzen. Es
existieren viele alternative Ansätze zur Relaxation, doch nur wenig theoretische Analysen zum Vergleich dieser. Eine der wichtigsten Relaxationsmethoden ist das Theorem zur Zusammensetzung von faktorisierbaren Funktionen von McCormick (1976). Wir haben eine Struktur zur Konvergenzrate
der McCormick-Relaxationen in der Punktweisen- und Hausdorff-Metik
entwickelt. Die Konvergenzrate zusammengesetzter Funktionen hängt von
der Konvergenzrate der relaxierten Faktoren ab.
110
»» A. Ghobeity, A. Mitsos:
Optimal design and operation of a solar energy receiver and storage,
J Sol Energ-T ASME, 134 (2012)
»» H. Ghasemi, M. Paci, A. Tizzanini, A. Mitsos:
Modeling and optimization of a binary geothermal power plant,
In press: Energy, (2012)
»» N.D. Mancini, S. Gunasekaran, A. Mitsos:
A multiple-compartment ion-transport-membrane reactive oxygen separator,
Ind Eng Chem Res, 51 (2012) 7988-7997.
»» E.J. Sheu, A. Mitsos, A.A. Eter, E.M.A. Mokheimer, M.A. Habib, A.
Al-Qutub:
A Review of hybrid solar-fossil fuel power generation systems and performance metrics,
J Sol Energ-T ASME, 134 (2012).
»» A. Bompadre, A. Mitsos:
Convergence rate of McCormick relaxations,
J Global Optim, 52 (2012) 1-28.
111
Aachener
Verfahrenstechnik
Mechanische
Verfahrenstechnik
Michael Modigell
Die Forschungsschwerpunkte der Mechanischen Verfahrenstechnik (AVT.
MVT) lassen sich thematisch in Energie-und Umwelttechnik, Rheologie und
hochauflösende Messtechnik gliedern.
AVT.MVT - Aachener Verfahrenstechnik Mechanische Verfahrenstechnik
Die AVT.MVT ist an zwei Verbundprojekten beteiligt, in denen neue Kraftwerkstypen unter Nutzung der Membrantechnik für die CCS-Technologie
entwickelt werden. Aufgaben der AVT.MVT sind dabei u.a. die Entwicklung
von Hochtemperatur-Membransystemen zur Abtrennung von Sauerstoff
aus Luft und die Prozessgestaltung, -optimierung und Bewertung von CCStauglichen Kraftwerkskonzepten. Dabei werden Simulationswerkzeuge zur
Abbildung von Hochtemperaturprozessen verwendet, die außerdem zur
Analyse und Modellierung anderer Hochtemperaturverfahren wie Klinkeroder Pigmentherstellung genutzt werden.
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Verfahrenstechnik
»» Schwerpunkte
Transportvorgänge in verfahrenstechnischen Apparaten, Suspensionsrheologie, Analyse und Simulation von Hochtemperaturprozessen, CO2
emissionsfreie Kraftwerke, mechanischer Aufschluss von Biomasse
»» Personal
Die AVT.MVT beschäftigt sich aber auch mit der Entwicklung regenerativer
Verfahren, wie dem mechanischen Aufschluss von biologischen Rest- und
Abfallstoffen als erster Prozessschritt bei der Herstellung von Kraftstoff aus
Biomasse (Exzellenzcluster TMFB).
Die rheologische Arbeitsgruppe der AVT.MVT beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Untersuchung der rheologischen Eigenschaften von
Suspensionen. Von besonderem Interesse sind dabei Suspensionen metallischer Legierungen. Dabei werden die Legierungen experimentell in z.T.
selbstentwickelten Hochtemperaturrheometern untersucht, Fließgesetze
für die Materialien aufgestellt und Füllvorgänge (unter Berücksichtigung
von Erstarrung) numerisch simuliert. Für Grundlagenuntersuchungen zum
Stofftransport in Rieselfilmen und Flüssigkeitsstrahlen werden optische
Messverfahren entwickelt, mit denen berührungslos mit hoher Orts- und
Zeitauflösung die Konzentrationsverteilung von absorbiertem Sauerstoff in
der flüssigen Phase ermittelt werden kann. Ziel ist die Entwicklung von verbesserten Stofftransportmodellen und der Klärung und Modellierung von
Grenzflächenphänomenen, um optimierte Auslegungsmethoden für technische Apparate wie z.B. Filmabsorber bereitstellen zu können.
112
»» OXYCOAL-AC
Entwicklung eines CO2-emissionsfreien Kohleverbrennungsprozesses zur
Stromerzeugung
»» Stofftransport im Rieselfilm
Gemischt Ionen-Elektronen-leitende keramische Membranen bieten ein
hohes Potenzial für die Hochtemperatur-Luftzerlegung, da dank ihrer unendlichen Selektivität eine hohe Sauerstoffreinheit erzielt werden kann.
Obwohl diese Membranen seit Jahren intensiv erforscht werden, erfolgte
die Anwendung bisher nur im Labor- oder im Kleinversuchsmaßstab.
Apparate zur Stoff- und Wärmeübertragung in Mehrphasensystemen sind
häufig so gestaltet, dass sich die flüssige Phase als dünner, welliger Film
ausbildet. In diesen Filmströmungen ist der Transport einer skalaren Feldgröße gegenüber dem Transport in einer Filmströmung mit glatter Oberfläche gesteigert. Die zugrunde liegenden kinetischen Phänomene sind im
Detail noch nicht verstanden. Zu deren Aufklärung sind zeitlich und örtlich
hoch aufgelöste Messungen zur Verteilung einer transportierten Größe notwendig.
Im Jahr 2012 wurde von AVT.MVT ein Membran-Modul im Pilotmaßstab
mit einer Membranfläche von 14m2 in Betrieb genommen. Damit ist dieses
Modul das größte für keramische Sauerstofftransportmembranen in Europa. Bei voller Bestückung können 600 Membranrohre mit einer Länge von
500mm und einem Durchmesser von 15mm aufgenommen werden. Die
Membranen bestehen aus BSCF und werden vom Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau gefertigt.
Membran Pilotanlage
Bei der AVT.MVT wurde die Messmethode der planaren Laserinduzierten
Lumineszenz (PLIL) entwickelt. Mittels PLIL kann die physikalische Absorption von Sauerstoff in einem entgasten wässrigen Film gemessen werden. Die Messmethode basiert auf einem sauerstoffsensitiven optischen
Indikator. Dieser emittiert nach einer gepulsten Anregung mit UV-Licht
sowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz. Um eine zweidimensionale Konzentrationsverteilung zu erhalten, wird ein Volumenelement eines
Rieselfilms mit einem Laser angeregt. Die emittierte Phosphoreszenz wird
dann mit einer hochempfindlichen CCD-Kamera aufgenommen. In diesem
Foto entspricht der Grau Wert jedes Pixels der lokalen Sauerstoffkonzentration. Gleichzeitig ist es möglich die Filmdicke zu berechnen. Daher
ermöglicht die PLIL einen detaillierten Blick auf lokale Transportprozesse
sowohl Bereich des Wellenbergs als auch im Bereich der Kapillarwelle.
Schematischer Versuchsaufbau und Ergebnis der PLIL
Um den für den Sauerstofftransport benötigten Sauerstoffpartialdruckgradienten, welcher die treibende Kraft für den Membranprozess ist, zu
erreichen, kann das Modul bei einem Feed-Druck von 20 bar, einem Vakuumdruck von 50 mbar und einer Temperatur von 900°C betrieben werden.
Zurzeit wird das Modul einem Langzeittest bei reduzierter Bestückung unterzogen. Dabei kann mehr als 1m3/h Sauerstoff mit einer Reinheit von ca.
99% produziert werden.
113
»» Modellierung der Fließeigenschaften von teilerstarrten Aluminiumlegierungen
Ziel der Arbeiten bei AVT.MVT ist die experimentelle Untersuchung des Verformungsverhaltens von teilerstarrten Legierungen sowie die numerische
Simulation von Gießprozessen mit Hilfe der experimentell gewonnenen
Daten.
Auf Basis der Experimente wurde ein empirisches Viskositätsmodell in Abhängigkeit von Scherrate (0,001 s-1 bis 800 s-1), Feststoffanteil (0-40%)
und Partikelgrößenverteilung aufgestellt. Das untersuchte Material zeigte
dabei scherverdünnende Eigenschaften, einem Potenzansatz folgend.
Die Ursache für Gießdefekte in komplizierten Aluminiumbauteilen liegt in
verschiedenen komplexen Phänomenen während des Gießens und der
Erstarrung. Es ist bekannt, dass Gießdefekte wie die Porenbildung durch
die Anwesenheit von Oxidpartikeln in der Schmelze beeinflusst werden.
Mittels moderner Verfahren der Fluidmechanik ist es möglich, die Verteilung der Porenkeimzellen während des Formfüllvorgangs zu verfolgen.
Dazu ist es notwendig, das Fließverhalten während des Formfüllprozesses
vorherzusagen. Bei AVT.MVT wurden daher Experimente zum nichtlinearen Fließverhalten einer Schmelze mit und ohne Verunreinigungspartikeln
durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen werden Rheometer
mit Einsatztemperaturen bis zu 1000°C eingesetzt
Der Einfluss der Partikelgröße wurde mit einem Krieger-Dougherty Ansatz
modelliert. Zusätzlich wurde der Einfluss der Segregation, der zum Wandschlupf an benachbarten Wänden führt, mittels einer Funktion der Scherspannung auf Basis des Kiljanski-Modells berücksichtigt.
Hochtemperaturrheometer
114
»» T. Ginsberg, D. Liebig, M. Modigell, B. Sundermann:
Multizonal thermochemical modelling of heavy metal transfer in incineration plants,
Process Safety and Environmental Protection, 2012, 90(1), 38–44
»» S. Harboe, M. Modigell:
The influence of particle size on viscosity in thixo material,
Key Engineering Materials, 2012, 504 - 506, 333-338
»» M. Czyperek, S. Baumann, H.J. Bouwmeester, W.A. Meulenberg, M.
Modigell, J.M. Serra, S. Shishatskiy, I. Voigt, F. Schulze-Küppers:
Membrain gas separation membranes for energy-efficient processes
original research article,
Procedia Engineering, 44 (2012) 1554-1556.
»» Q. Yan, M. Modigell:
Mechanical pretreatment of lignocellulosic biomass using a screw press
as an essential step in the biofuel production,
In: Petar S. Varbanov;
»» Hon Loong Lam; Jirí J. Klemeš (Eds.), Chemical Engineering Transactions, 29 (2012), 601-606.
115
Lehrstuhl und
Institut für
Flugsystemdynamik
Dieter Moormann
IFD - Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik
Forschungsschwerpunkte des Instituts bilden die flugsystemdynamische
Auslegung und Bewertung von insbesondere unkonventionellen und unbemannten Luftfahrzeugen:
Wüllnerstraße 7
52062 Aachen
»» Modellierung der dynamischen Eigenschaften, speziell von unkonventionellen und unbemannten Fluggeräten, mit Hilfe von Handbuchmethoden und Rechenverfahren
Tel.: +49 241/80-96810
Fax: +49 241/80-92529
»» Modellbildung und Simulation von Flugdynamik und Systemen unter
Einbeziehung von Piloten und Operateuren
[email protected]
www.fsd.rwth-aachen.de
»» Identifikation flugmechanischer Kenngrößen durch Experimente mit
Originalflugzeugen und skalierten Modellen im Windkanal und Freiflug
»» Optimierung von Flugeigenschaften und Flugleistungen
Luft- und Raumfahrttechnik
»» Schwerpunkte
Flugmechanik, Flugregelung, Flugführung, Raumflugmechanik,
Unbemannte Luftfahrzeuge, Autonomie
»» Personal
»» Auslegung von Flugsteuerungs- und Flugregelungssystemen
(Flugregelung, Bahnführung, Flugführung, Missionssteuerung und
Autonomie).
Zur Durchführung der Arbeiten stehen dem Lehrstuhl neben einem Niedergeschwindigkeits-Windkanal ein Forschungssimulator, verschiedene
Prüfstände, Freiflugversuchstechnik sowie ein Elektroniklabor und eine
mechanische Werkstatt zur Verfügung.
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten werden für und in Zusammenarbeit mit Firmen der Luft- und Raumfahrtindustrie, Landes-, Bundes- und
EU-Ministerien sowie anderen Forschungseinrichtungen und Universtäten
durchgeführt. Studierende sind im Rahmen von studentischen Arbeiten
(Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten) und als studentische Hilfskräfte in
die Projekte eingebunden.
In der Lehre werden Veranstaltungen zur Flugmechanik (Flugdynamik,
Flugregelung, Flugführung, Flugmechanisches Praktikum, Flugtechnische
Übungen am Simulator, Flugmechanischer Entwurf eines Kleinfluggerätes,
Entwicklung/Demonstration eines autonomen unbemannten Fluggerätes),
zur Raumflugmechanik sowie ein Kolloquium zu ausgewählten Kapiteln der
Luft- und Raumfahrt angeboten.
116
»» Forschungssimulator
»» AVIGLE – Avionic Digital Service Platform
Entwicklung eines Forschungssimulators zur Untersuchung von PilotenAssistenzsystemen sowie für „hardware-in-the-loop“-Untersuchungen
und Einsatzimulation von unbemannten autonomen Fluggeräten.
Entwicklung einer autonomen Flugplattform in Tiltwing Konfiguration
Vorgehensweise
»» Aufbau Festsitzsimulator mit konventionellem und generischem
(Glas-) Cockpit
»» Realisierung einer 3D-Außensichtsimulation
»» Verwendung einer Modularen Rechnerstruktur mit frei programmierbarer Dynamik
»» Arbeitsplätze zur Online Überwachung und Versuchsteuerung
»» Aufbau einer modularen Bodenstation zur Simulation der Steuerung
und Führung von unbemannten Fluggeräten und integrierten Nutzlasten
Auftraggeber
»» internes Forschungsvorhaben
Forschungsflugsimulator
Zielsetzung
»» Im Rahmen des vom Land Nordrhein Westfalen und der Europäischen Union geförderten Projektes AVIGLE wird eine unbemannte
Flugplattform in Tiltwing Konfiguration entwickelt, die im Schwarmverbund Bilder zum Aufbau von 3D-Objektmodellen erfasst oder ad-hoc
Mobilfunkzellen zur Erweiterung der Netzinfrastruktur bereitstellt.
Vorgehensweise
»» Entwicklung der unbemannten Tiltwing Flugplattform
»» Integration ausgewählter Sensorik- und Avionikkomponenten sowie
versch. Nutzlasten
»» Validierung des Fluggeräteentwurfs anhand von Windkanal- und
Freiflugversuchen
»» Aufbau einer Fluggerätesimulation mit sechs Freiheitsgraden in
Matlab/Simulink®
»» Entwicklung der Steuer- und Regelungsalgorithmen für den autonomen Betrieb
Auftraggeber
»» Durch den Förderwettbewerb Hightech.NRW 2 von NRW und EU
ausgewähltes und finanziertes Kooperationsprojekt mit insgesamt 10
Partnern aus Forschungseinrichtungen und KMU.
Flugdemonstration AVIGLE Kippflügel-Flugzeug
»» GABRIEL - Integrated Ground and On-Board System for Support of
Safe Take-Off and Landing
Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten und Effektivität von bodengestützter Magnetschwebetechnik bei Start und Landung
Zielsetzung
»» Zukünftige Lufttransportsysteme müssen sicherer, umweltverträglicher und effektiver sein als aktuelle Systeme. Ein möglicher Weg
dahin ist die Verwendung von bodenbasierter Energie zur Beschleunigung und Abbremsung des startenden bzw. landenden Flugzeuges.
Das GABRIEL Projekt untersucht die grundsätzliche Machbarkeit und
Effektivität der Verwendung von Magnetschwebe- und antriebstechnik
für solch ein System. Durch den dadurch ermöglichten Verzicht auf
das Fahrwerk und die Verwendung kleinerer Triebwerke ergibt sich
eine signifikante Gewichtsreduzierung und als Folge eine Reduzierung des Treibstoffverbrauches sowie der Schadstoff- und Lärmemissionen.
Aufgaben des Institut für Flugsystemdynamik
»» Theoretische Untersuchungen: Modellbildung und Simulation
»» Entwicklung der hochpräzisen Regelungssysteme (Flugzeug-, Bodenund verbindendes
»» Rendezvous-System)
»» Konzept(teil)nachweis mit skaliertem Demonstrator
Auftraggeber
»» EU-FP7-Projekt mit Kooperationspartnern aus 12 europäischen
Forschungsinstituten und Universitäten.
Start-/Landesystem für GABRIEL-Konzept
117
»» Gäb, Andreas:
Real-time parameter estimation for mini aerial vehicles using low-cost
hardware. Aachen,
Techn. Hochsch., Diss., 2012.
»» Ostermann, Tobias; Holsten, Johanna; Dobrev, Yavor; Moormann,
Dieter:
Control Concept of a Tiltwing UAV During Low Speed Manoeuvring.
In: 28th International Congress of the Aeronautical Sciences: ICAS2012,
23.-28. September 2012, Brisbane, Australien;
InProceedings, Datenträger.
»» Holsten, Johanna; Ostermann, Tobias; Dobrev, Yavor; Moormann,
Dieter:
Model Validation of a Tiltwing UAV in Transition Phase Applying Windtunnel Investigations.
In: 28th International Congress of the Aeronautical Sciences: ICAS2012,
23.-28. September 2012, Brisbane, Australien;
InProceedings, Datenträger.
118
Institut für
fluidtechnische
Antriebe und
Steuerungen
Forschung und daraus abgeleitete Lehre auf allen Gebieten der Fluidtechnik in einem der größten Institute weltweit auf diesem Gebiet.
Hubertus Murrenhoff
Die Fachdisziplin umfasst neben dem Maschinenbau auch weitere Bereiche wie Informatik, Regelungstechnik, Elektrotechnik, Tribologie und
Chemie.
IFAS - Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen
Die interdisziplinären Forschungsaktivitäten sind fünf wissenschaftlichen
Gruppen zugeordnet:
»» Tribologie und Fluidanalytik
»» Pumpen- und Motorentechnik
»» Ventiltechnik und Mechatronik
»» System- und Steuerungstechnik
»» Pneumatik
Steinbachstraße 53B
52074 Aachen
Tel.: +49 241/80-27512
Fax: +49 241/80-22194
[email protected]
www.ifas.rwth-aachen.de
Den Wissenschaftlern am IFAS stehen ein großzügiges Versuchsfeld mit
über 1000 m² Fläche, fünfschallisolierte Boxen für Langzeitprüfstände,
eine Klimakammer mit einem einstellbaren Temperaturbereich von -70 bis
+70 °C, ein reflexionsarmer Schallmessraum, ein Oberflächenmessraum
sowie ein Öllabor zur Verfügung.
Ausführliche Informationen zu den aktuellen Projekten in den Forschungsgruppen, den zahlreichen Forschungsaktivitäten, den Industriekontakten
im In- und Ausland sowie zu den Mitarbeitern sind auf der unten genannten
Homepage zu finden.
Sowohl studentische Hilfskräfte als auch Bachelor- und Masterstudenten
können sich im Rahmen ihrer Ausbildung aktiv an diesen Projekten beteiligen.
Konstruktion und Entwicklung, Antriebstechnik, Produktionstechnik,
Verkehrstechnik, Kunststofftechnik
»» Schwerpunkte
Forschung und Lehre auf allen Gebieten der Fluidtechnik
(Hydraulik und Pneumatik)
»» Personal
Die beiden Hauptvorlesungen des IFAS
»» Grundlagen der Fluidtechnik (2/2 WS)
»» Servohydraulik (2/2 SS)
sind im Masterstudium bei vielen Vertiefungsrichtungen als Pflichtveranstaltung eingebunden, sowie als Wahlfach verfügbar. Viele weitere z.T.
aufbauende Veranstaltungen, bei denen auch Dozenten aus der Industrie
eingebunden sind, werden als Wahlveranstaltungen in fast allen Studienrichtungen angeboten.
Interne und externe fluidtechnische Kolloquien sowie das zweijährig stattfindende „Internationale Fluidtechnische Kolloquium“ (IFK) runden das
Aus- und Weiterbildungsangebot ab.
119
»» Wirkungsgradsteigerung durch Abluftnutzung
Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
(BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) geförderten Projekts wurde am IFAS eine neuartige Möglichkeit zur Abluftnutzung abluftgedrosselter pneumatischer Antriebe entwickelt
und untersucht.
Die Pneumatik findet in der Automatisierungstechnik ein breites Anwendungsfeld, da sie sich durch geringe Anschaffungskosten, sehr hohe Robustheit, Prinzip bedingte Überlastsicherheit und einen einfachen Systemaufbau auszeichnet. Zur Erfüllung von Positionier-, Bewegungs-, Greif- und
Spannaufgaben werden in den meisten Fällen abluftgedrosselte Antriebe
eingesetzt. Mit Hilfe der Abluftdrosselung kann auf sehr einfache Weise
durch die Ausnutzung eines Strömungsphänomens in der Abluftdrossel
eine nahezu lastunabhängige Geschwindigkeitsvorgabe erzielt werden.
Der Ejektor übernimmt die Funktion der Abluftdrossel und ermöglicht es
zusätzliche Luft aus der Umgebung einzusaugen und so Luftverluste zu
kompensieren.
Der Vorteil der vorgestellten Lösung gegenüber anderen Ansätzen zur
Abluftnutzung, beispielsweise mit einer Speicherladeschaltung, liegt darin,
dass die von der Abluftdrossel gewohnte Bewegungscharakteristik beibehalten werden kann. Darüber hinaus wird keine externe Ansteuerung benötigt, da die Ejektorbaugruppe (Abb. 2) komplett autark arbeitet.
Abb. 2: Autark arbeitende Ejektorbaugruppe
Ein wesentlicher Nachteil der Abluftdrosselung liegt allerdings darin, dass
über die Drossel Energie ungenutzt in die Umgebung abgegeben wird.
Dies ist vor dem Hintergrund steigender Energiekosten ein entscheidender
Nachteil gegenüber konkurrierender Technologien. Durch die Nutzung der
Abluft kann die ansonsten verlorene Energie hingegen weiter genutzt werden, um den Druckluftkompressor zu unterstützen und damit gleichzeitig
den Systemwirkungsgrad zu steigern. Unter günstigen Bedingungen lässt
sich so eine Energieeinsparung von bis zu 30 % erzielen. Abbildung 1 zeigt
den schematischen Aufbau eines konventionellen Systems und das gleiche
System ausgestattet zur Abluftnutzung.
Abb. 1: Konventionelles System und System ausgerüstet zur
Abluftnutzung
Um die Eignung für den praktischen Einsatz zu belegen, wird die Ejektorbaugruppe in den in Abbildung 3 dargestellten Demonstrator integriert.
Dieser repräsentiert ein typisches Einsatzszenario der Pneumatik und dient
so als Referenz für den praktischen Einsatz, sodass eine Aussage über das
Kosten-Nutzenverhältnis getroffen werden kann.
Abb. 3: Demonstrator zur Abluftnutzung
120
»» Untersuchung der elektrostatischen Aufladung von Hydraulikflüssigkeiten
In der Hydraulikbranche werden zunehmend zink- und aschefreie Hydrauliköle eingesetzt, die einerseits verbesserte Umwelteigenschaften besitzen
und andererseits die erhöhten Ölanforderungen von modernen hydraulischen Komponenten erfüllen. Gegenüber konventionellen Hydraulikflüssigkeiten besitzen diese zink- und aschefreien Flüssigkeiten eine vergleichsweise geringe elektrische Leitfähigkeit. Dadurch können sich elektrische
Ladungen ansammeln und zu Spontanentladungen führen.
Insbesondere Filterelemente gelten aufgrund ihrer großen Oberfläche als
Aufladungsquelle und das Filtervlies kann durch Spontanentladungen zerstört werden. Sind in einem System Spontanentladungen vorhanden, so
kann dies durch ein knisterndes Geräusch wahrgenommen werden.
Da die für die elektrostatische Aufladung beeinflussenden Faktoren für
Hydraulikflüssigkeiten wenig bekannt sind, wurde am IFAS ein Projekt begonnen, bei dem die möglichen Einflussgrößen systematisch untersucht
werden. Hierfür wurde ein Prüfstand aufgebaut (siehe Abb.4), bei dem verschiedene ebene Filtervliese untersucht werden können. Zur Messung der
Aufladung von Flüssigkeiten wurde ein neuartiges Messprinzip entwickelt,
mit dem die quantifizierbare Aufladungsmessung möglich ist. Das innovative Messverfahren nutzt das Prinzip der Ladungsverschiebung auf einer
Messelektrode infolge elektrischer Feldeinwirkung.
Ziel der Arbeiten ist der Aufbau einer umfangreichen experimentellen Datenbasis, mit der die Abhängigkeiten beschrieben werden können. Die
Messdaten werden genutzt, um ein bereits aufgestelltes Aufladungsmodell
zu parametrieren. Mit dem Aufladungsmodell kann die Aufladungsneigung
eines Systems vorhergesagt werden, womit bereits bei der Systemauslegung die Gefahr erkannt wird und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.
Abb. 4: Elektrostatik-Prüfstand am IFAS
121
»» Leonhard, L.; Drumm, S.; Murrenhoff, H.; Lang, J.; Knoll, G.:
„Simulative analysis of the piston/cylinder interface of common rail
injection pumps lubricated by new biofuels“, Industrial and automotive
lubrication :
18th International Colloquium Tribology, 10 - 12 January 2012, Ed.:
Wilfried J. Bartz. -Ostfildern -Nebent.: Tribology - industrial and automotive
lubrication., 2012.- ISBN: 3-924813-97-3, 978-3-924813-97-0., S./Art.: 8 S
»» von Grabe, C.; Murrenhoff, H.:
„Efficiency improvement by air recuperation through the use of ejectors“,
8th International Fluid Power Conference (8. IFK); March 26-28, 2012
in Dresden. Dresdener Verein zur Förderung der Fluidtechnik [Hrsg.].
-Dresden: Eigenverlag, Volume 1 - Symposium: Monday, March 26, 2012.,
S./Art.: 299-310
»» Kühnlein, M.; Liermann, M.; Ewald, J.; Murrenhoff, H.:
„Adjustable flow-control valve for the self-energising electro-hydraulic
brake“,
International Journal of Fluid Power. -Hamburg: TuTech Innovation- ISSN:
1439-9776. -13 (2012) 2, S./Art.: 5-14
»» Heitzig, S.; Sgro, S.; Theissen, H.:
„Energy efficiency of hydraulic systems with shared digital pumps“,
International journal of fluid power. -Hamburg: TuTech Innovation- ISSN:
1439-9776. -13 (2012) 3, S./Art.: 49-57
»» Berbuer, J.; Schulze Schencking, D. :
„Radial piston engine with cone valve plates“,
8th International Fluid Power Conference (8. IFK); March 26-28, 2012
in Dresden. Dresdener Verein zur Förderung der Fluidtechnik [Hrsg.].
-Dresden: Eigenverlag, Volume 3 - Conference: Wednesday, March 28,
2012., S./Art.: 399-410
122
Lehrstuhl für Gebäudeund Raumklimatechnik
Energy Research Center
Die Forschung und Lehre des Instituts ist auf die Anforderungen der energieeffizienten Stadt von morgen ausgerichtet. Erkenntnisse aus der Raumlufttechnik werden dabei auch auf Fragestellungen der Fahrzeug- und Kabinenklimatisierung übertragen.
Die Forschungaktivitäten umfassen:
»» Energiekonzepte für Gebäude und Quartiere
»» Raumluftströmungen und Luftqualität
»» Komponenten der Heiz- und Raumlufttechnik
»» Wärme-, Kälte- und Speichertechnik
Dirk Müller
E.ON EBC – Energy Research Center
Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik
Mathieustr. 10
52074 Aachen
Neben den anlagentechnischen Komponenten und deren Zusammenspiel
mit innovativen Fassaden- und Dämmsystemen für einzelne Gebäude
werden auch die Versorgungssysteme von Quartieren untersucht. Regenerative Energiequellen werden passgenau eingebunden und dezentrale
Lösungen der Kraft-Wärme- und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung entwickelt.
Zur Senkung des Energiebedarfs von Heiz- und Kühlsystemen wird die
Nutzung natürlicher Potenziale durch geeignete Speichersysteme, wie z.
B. Latentwärmespeicher, ermöglicht.
Für die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten werden simulationsgestützte und experimentelle Verfahren eingesetzt. Neben dreidimensionalen
Strömungsberechnungen und gekoppelten Gebäude- und Anlagensimulationen werden in der Versuchshalle des Instituts umfangreiche experimentelle Aufbauten realisiert. Die Lücke zwischen reinem Labortest und
Feldversuch wird durch Hardware-in-the-Loop Simulationen geschlossen,
die Untersuchungen von Komponenten und Wärmeerzeugern als im Gesamtsystem eingebettete Komponente ermöglicht.
Tel.: +49 241/80-49760
Fax: +49 241/80-49769
[email protected]
www.eonerc.rwth-aachen.de/ebc
Energietechnik
»» Schwerpunkte
Forschung und Lehre auf dem Gebiet der Energiesystemtechnik für
Gebäude und Quartiere, der thermischen Behaglichkeit sowie der
Luftqualität und der Fahrzeug- und Flugzeugkabinenklimatisierung
»» Personal
1 Professor, 2 Obering/-innen, 34 wiss. Mitarbeiter/-innen,
Lehrangebot:
»» Einbindung regenerativer Energiesysteme
»» Grundoperationen der Energietechnik
»» Energienetze
»» Klimatechnik
»» Regenerative Energien für Gebäude
»» Energiewirtschaft
»» Ringlabor Alternative Energietechnik
Über Bachelor- und Masterarbeiten sowie Stellen für studentische Hilfskräfte werden Studierende aktiv in die Forschung eingebunden.
123
»» Dual Demand Side Management - 2DSM
Die zunehmende Nutzung regenerativer Energien stellt durch die Volatilität und vermehrt dezentrale Eisnpeisung die Versorgungsinfratsruktur vor
neue Herausforderungen. Zusätzliche Speicherkapazitäten und flexible
Verbraucher sind notwendig.
Das Projekt Dual Demand Side Management versucht in enger Kooperation mit dem Institut Automation for Complex Power Systems aus der Fakultät für Elektrotechnik dieses notwendige Potential durch ein doppeltes Lastmanagement zu schaffen. Dieses betrachtet sowohl das einzelne Gebäude
als auch das gesamte Stadtquartier und vernetzt die darin enthaltenen
Verbraucher miteinander. Die Entwicklung des Konzeptes erfolgt anhand
eines multi-physikalischen Simulationsmodells für einen Stadtteil der Innovation City Bottrop. Bottrop hat den vom Initiativkreis Ruhr im Frühjahr 2010
ausgelobten Wettbewerb für die Klimastadt der Zukunft gewonnen. Ein
kompletter Stadtbereich Bottrops in einer Größenordnung von rund 67.000
Einwohnern soll sich in den nächsten zehn Jahren zum Musterquartier für
Energie-Effizienz wandeln.
Das 2DSM Projekt versucht es mit den anderen Pilotprojekten der Region
zu ermöglichen, das Ziel einer CO2 Einsparung von 50 % bis 2020 zu erreichen.
Anhand der gekoppelten Betrachtung des thermischen und elektrischen
Netzes kann untersucht werden, wie unterschiedliche Gebäude ihren lokalen Energieverbrauch und dezentrale Stromproduktion optimieren, um lokal
schwankende Energieerzeugung auszugleichen (z.B. PV + Wind) und z.B.
die Produktion einer KWK-Anlage im Kontext des Wärmebedarfs der Region und der Stromerzeugung anderer dezentraler Erzeuger einzubinden ist,
um Last- und Erzeugungsspitzen zu vermeiden. Gleichzeitig erfolgt die Abstimmung der kleinen Einheiten mit den Bedürfnissen des übergeordneten
Netzes un der Einspeisung größerer Windparks auf Hochspannungsebene.
Die entwickelte Simulationsplattform soll zu einer Living Roadmap führen,
die als Planungswerkzeug für den nachhaltigen Umbau der Energieversorgung eines Stadtgebietes genutzt werden kann. Konkrete Maßnahmen, wie
die Gebäudesanierung einzelner Häuser, der Einbau dezentraler Stromerzeugungs-, Heizungs- und Kälteanlagen in Gebäuden können integriert
geplant und dimensioniert werden.
Abb. 2: Vision zukünftiger Energienetze
Abb. 1: Untersuchungsgebiet des 2DSM Projektes im Pilotgebiet der
Modellstadt Bottrop
124
»» Hardware-in-the-Loop (HiL)-Testverfahren für Hausenergiesysteme
Zukünftig werden moderne Hausenergiesysteme (HES) wie z.B. elektrische Wärmepumpen und Mikro-KWK Systeme mit innovativen Hausenergiemanagementsystemen (HEMS) im Wohnungsmarkt zunehmend
an Relevanz gewinnen. Als zukünftiger Schmelztiegel der verschiedenen
Energieformen ist das HES ein Kernelement der Smart-Grid-Technologie.
Die Verknüpfungen und die Interaktionen zwischen unterschiedlichen Energiedomänen stellen einen wichtigen Impuls für die Entwicklung intelligenter
HEMS dar. Ein bedarfsgerechtes HEMS auf der thermischen Seite als auch
auf der elektrischen Seite wird eine der wichtigsten Schlüsseltechnologien
sein, den gesamten Energieverbrauch des Gebäudebestandes zu verringern und die Lastprofile auf den Nieder- und Mittelspannungsnetzebenen
zu egalisieren.
Der HiL-Ansatz bietet die Möglichkeit, reale Komponenten mit Regeleinheiten unter komplexen simulierten Randbedingungen zu testen. Die gemeinsam in Kooperation mit Elektrotechnikern (Institut for Automation of
Complex Power Systems) entwickelte Plattform (Bild 3) besteht aus drei
Ebenen: die Simulationsebene (Grün), die Emulationsebene (Rot) und
die Hardwareebene (Blau). Das HEMS beispielhaft bestehend aus einer
Luft-Wasser-Wärmepumpe und einem Speicher wird als Hardware in einer
simulierten Umgebung getestet.
Die Senke der Wärmepumpe, die durch das Gebäudemodell in Dymola
simuliert ist, wird am hydraulischen Prüfstand emuliert. Die Wärmepumpe
arbeitet in einem emulierten Außenklima mit Hilfe der klimatisierten Luftkammer. Gleichzeitig wird die elektrische Netzversorgung durch einen Netzemulator bereitgestellt.
Die Rechenkapazität wird auf einem Dual-Rechencluster (Bild 4) zur Verfügung gestellt. Der Windows-Cluster mit LabVIEW und Dymola, wo die
Mess- und Regelfunktionen der Emulationsebene, sowie die Gebäudesimulation ausgeführt werden, arbeitet mit einer Abtastzeit von einer Sekunde. Die elektrischen Simulationen, die einen Zeitschritt von Millisekunden
fordern, laufen auf dem hartechtzeitfähigem Linux-Cluster. Die Mess- und
Simulationsdaten werden durch das Ethernet zwischen den zwei Clustern
synchronisiert.
Abb. 4: Die innovative Dual-Rechenstruktur der HiL-Testplattform
Abb. 3: Der Aufbau der HiL-Testplattform am Beispiel eines Luft-WasserWärmepumpensystems
125
»» Molitor, Christoph; Benigni, Andrea; Helmedag, Alexander; Chen,
Kan; Calì, Davide; Jahangiri, Pooyan; Antonello, Monti; Müller, Dirk:
“Multi-Physics Test Bed for Renewable Energy Systems in Smart
Homes”,
In: IEEE transactions on industrial electronics. -New York, NY: IEEEISSN: 0278-0046, 0093-9994. -60 (2012) , 3, S./Art.: 1235-1248.
»» Huber, Max; Constantin, Ana; Müller, Dirk:
„Software-in-the-loop method for optimizing the control strategy of a
façade ventilation unit”,
In: Xe conference internationale sur la ventilation industrielle = 10th International Conference on Industrial Ventilation ; Paris, 2012, 17/18/19 Sept.
/ organised by the Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS).:
Ventilation, 2012.
»» Flieger, Björn; Streblow, Rita; Müller, Dirk:
„Thermisches Pkw Innenraummodell“,
In: Wärmemanagement des Kraftfahrzeugs VIII / Hrsg. Peter Steinberg.
-Renningen: expert Verl., 2012.- ISBN: 979-3-8169-3145-4., S./Art.:
190-198
»» Stinner, Sebastian; Müller, Dirk:
“Thermal Simulation of Power-Controlled Micro-CHP Systems for Residential Buildings”,
In: Proceedings of the 9th International MODELICA Conference ; September 3-5, 2012 Munich, Germany / eds.: Martin Otter and Dirk Zimmer.
Org. by Modelica Association and German Aerospace Center (DLR).
-Linköping, 2012. -(Linköping Electronic Conference Proceedings ; 76).ISBN: 978-91-7519-826-2.- ISSN: 1650-3740, 1650-3686.
»» Huchtemann, Kristian; Müller, Dirk:
„Evaluation of a Field Test with Retrofit Heat Pumps”,
In: Building and environment. -Oxford [u.a.]: Pergamon Pr.- ISSN: 03601323. -53 (2012) , S./Art.: 100-106.
126
Lehr- und
Forschungsgebiet
Laser-Messverfahren in
der Thermofluiddynamik
Das LTFD ist zusammen mit dem LTT und dem VKA am Institut für Thermodynamik der RWTH Aachen angesiedelt. Das Arbeitsgebiet ist die Entwicklung und Anwendung neuer laseroptischer Messverfahren in technischen
Strömungs- und Verbrennungsvorgängen. Durch Ausnutzung elementarer
Prozesse der Wechselwirkung von Licht mit Materie und den Einsatz moderner Laser- und Kameratechnik wird es möglich, komplexe reaktive und
nichtreaktive Strömungen, wie z.B. in Motoren, Triebwerken und Brennern,
zu analysieren und zu optimieren.
N. N.
Angewandte Messverfahren:
Tel.: +49 241/80-95362
Fax: +49 241/80-92927
»» Laserinduzierte Fluoreszenz ( LIF)
»» Laserinduzierte Inkandeszenz (LII)
»» Raman-Streuung
»» Mie-Streuung
»» Rayleigh-Streuung
»» Particle Image Velocimetry (PIV)
»» Laser Flow Tagging (LFT)
»» Gaseous Image Velocimetry (GIV)
»» Flammeneigenleuchten
Vorlesungen:
»» Laserspektroskopie in der Verbrennungsdiagnostik I/II
»» Grundlagen optischer Strömungsmeßverfahren
Industriekooperationen:
»» Automobilindustrie
»» Motorenentwicklung
»» Hersteller von Laser Imaging Systemen
LTFD - Lehr- und Forschungsgebiet Laser-Messverfahren
in der Thermofluiddynamik
Schinkelstr. 8
52062 Aachen
[email protected]
www.ltfd.rwth-aachen.de
Verfahrenstechnik, Energietechnik
»» Schwerpunkte
Entwicklung und Anwendung neuer laseroptischer Messverfahren in
technischen Strömungs- und Verbrennungsvorgängen
»» Personal
127
»» Sonderforschungbereich SFB 686
»» Cluster of Excellence: Tailor-Made Fuels from Biomass
Das LTFD ist neben anderen Lehrstühlen auch im SFB 686 angesiedelt.
Ziel dieses Sonderforschungsbereichs ist die modellgestützte Regelung
der homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung. Da die Niedertemperatur-Verbrennung eine Möglichkeit bietet, die Schadstoffemissionen zu
senken bei zeitgleicher Effizienzsteigerung, sie aber nicht ohne weiteres
stabil abläuft, ist ein Verständnis der physikalischen Vorgänge zur Regelung unabdingbar.
Das LTFD ist des Weiteren Bestandteil des Exzellenzclusters „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“, dessen Schwerpunkt die Erforschung von neuen synthetischen Kraftstoffen aus Biomasse ist.
Daher ist es das Teilziel des LTFD im SFB, mittels optischer Messverfahren Daten aus der Niedertemperatur-Verbrennung bereitzustellen. Diese
dienen der Validierung physikalischer Modelle, welche von den Projektpartnern erstellt werden.
Dazu kommen verschiedene optische und somit noninvasive Messtechniken zum Einsatz. Zum einen werden an einem optisch zugänglichen CAIMotor (Controlled Auto Ignition, kontrollierte Selbstzündung) mittels Raman-Spektroskopie und Hochgeschwindigkeits-Eigenleuchtenaufnahmen
die Gemischbildung und Entflammungsvorgänge untersucht. Zum anderen
kommen die Messtechniken Laserinduzierte Fluoreszenz, Raman-Spektroskopie und Flammeneigenleuchten an einer Druckkammer zum Einsatz,
um die Kraftstoffeinspritzung unter motornahen, aber statischen Bedingungen zu untersuchen.Ein Beispiel für eine solche Untersuchung zeigt die
Abbildung, bei der die Entflammung und der anschließende Brennverlauf
einer Verbrennung im CAI-Motor dargestellt sind.
Ein Ziel dabei ist das Verständnis für die Verdampfung und Gemischbildung
von alternativen Kraftstoffen, insbesondere von neuartigen Kraftstoffgemischen (sogenannte Blends) zu verbessern. Zu diesem Zweck führt das
LTFD umfangreiche (laser-) optische Untersuchungen durch. Die dadurch
gewonnen Erkenntnisse dienen der Erklärung des motorischen Emissionsverhaltens der neuen Kraftstoffe, sowie der Entwicklung und Validierung
neuer Simulationsmodelle innerhalb des Exzellenzclusters.
Dem LTFD stehen dazu verschiedene Versuchsträger wie optisch zugängliche Hochtemperaturkammern und von Kooperationspartnern
innerhalb des Exzellenzclusters entwickelte optische Motoren zur Verfügung. Neben den photophysikalischen Grundlagen wird an einer
Auswahl potentieller neuer Kraftstoffe die dieselmotorische Verbrennung sowie Rußbildung untersucht. Außerdem wird die Entmischung
von Diesel-Sprays aus neuen Kraftstoffen detailliert untersucht. Die
dazu eingesetzten Messtechniken sind unter anderem Flammeneigenleuchten, OH*-Chemilumineszenz, LIF und spontane Ramanstreuung
Rußeigenleuchten von der Verbrennung verschiedener Kraftstoffe unter
dieselähnlichen Bedingungen
Entflammung und Flammenausbreitung im CAI-Motor
128
»» Jakob, M.; Hülser, T.; Janssen, A.; Adomeit, P.; Pischinger, S.; Grünefeld, G.:
„Simultaneous High-Speed Visualization of Soot Luminosity and OH*
Chemiluminescence of Alternative-Fuel Combustion in a HSDI Diesel
Engine under Realistic Operating Conditions“, Combustion and Flame,
2012, 159, 2516-2529
»» Brands, T.; Hottenbach, P.; Koss, H.-J.; Grünefeld, G.; Pischinger, S.;
Adomeit, P.:
„Quantitative Fuel-Air-Mixing Measurements in Diesel-Like Sprays Emanating from Convergent and Divergent Multi-Layer Nozzles“,
SAE International Journal of Engines, 5, 2012
»» Berrocal, E.; Kristensson, E.; Hottenbach, P.; Alden, M.; Grünefeld, G:
„Quantitative Imaging of a Non-Combusting Diesel Spray Using Structured
Laser Illumination Planar Imaging“,
Appl. Phys. B, 2012, 109, 683-694
»» Hülser, T.;Jakob, M.; Janssen, A.; Drumm, S.; Heitzig, S.; Grünefeld,
G.; Pischinger, S.; Murrenhoff, M.:
„From Injection to Combustion, an Overview of the Tribolgical and Combustion Behaviors of Tailor-Made Fuels“,
5th TMFB International Workshop 2012, 2012
»» Brands, T.; Hottenbach, P.; Koss, H.-J.; Grünefeld, G.; Pischinger, S.;
Adomeit, P.:
„Quantitative Fuel-Air-Mixing Measurements in Diesel-Like Sprays Emanating from Convergent and Divergent Multi-Layer Nozzles“,
SAE Technical Paper, 2012, 2012-01-0464
129
Aachener
Verfahrenstechnik
Thermische
Verfahrenstechnik
N. N.
(kommissarische Leitung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Antje C. Spiess)
Am AVT - Thermische Verfahrenstechnik beschäftigen wir uns mit Forschung und Entwicklung zu thermischen Trennverfahren und den Grundlagen ihrer Beschreibung.
AVT.TVT - Aachener Verfahrenstechnik Thermische Verfahrenstechnik
Die Arbeitsschwerpunkte sind entsprechend den folgenden Bereichen zuzuordnen:
Wüllnerstraße 5
52062 Aachen
Verfahren und Apparate:
»» Auslegung von Trennprozessen basierend auf Ergebnissen aus
Laborversuchen
»» Modellierung der Flüssig-Flüssig-Extraktion sowie Reaktivextraktion
basierend auf Laboruntersuchungen mit dem ReDrop-Modell
»» Extraktion alkoholischer Komponenten aus wässrigen Lösungen
»» Reinigung Ionischer Flüssigkeiten
»» Dispersionstrennung hochviskoser Systeme und unter Einfluss von
Feinstpartikeln
»» Rektifikation wässriger Systeme
Tel.: +49 241/80-95490
Fax: +49 241/80-92332
[email protected]
Verfahrenstechnik, Umweltingenieurwesen, Biotechnologie
»» Schwerpunkte
Thermische Trennverfahren, insbesondere Extraktion, Destillation und
Flüssig-Flüssig-Trennung sowie Untersuchungen zu Stofftransport, auch
über Phasengrenzen, Entwicklung thermodynamischer Modelle, Molekulare Simulationen, Globale Bilanzen
»» Personal
Stofftransport und Phasengrenzen:
»» Simulation thermischer Trennverfahren mit molekularen Methoden
»» Stoffaustausch am umströmten Tropfen im Experiment und mit CFDSimulation
»» Simulation von Stofftransport an Phasengrenzen
Gleichgewichtsthermodynamik:
»» Entwicklung thermodynamischer Modelle ausgeprägt nichtidealer
Mehrstoffgemische
Ziel der Forschungsaktivitäten der AVT-Thermische Verfahrenstechnik ist
es, neben der ingenieurmäßigen Beschreibung der Apparate und Verfahren
auch einen konzeptionellen Brückenschlag zwischen den Größenskalen
bei der Modellierung zu erreichen, so dass Modelle auf einer Skala Wissen
und Erkenntnisse zu der jeweils niedrigeren Skala sinnvoll mit umfassen.
Nur so können Modelle entwickelt werden, die Praxistauglichkeit mit ausreichender Vorhersagekraft verbinden.
Die Projekte werden von unterschiedlichen sowohl größeren als auch mittelständischen Firmen der chemischen Industrie und des Apparatebaus
sowie von Firmenverbünden gefördert. Darüber hinaus ist der Lehrstuhl
mit verschiedenen Projekten am Exzellenzcluster „Tailor-Made Fuel from
Biomass“ (TMFB) beteiligt.
130
»» Auslegung von Extraktionsprozessen
Vom Tropfen zur Kolonne
»» Bewertung von biobasierten Syntheserouten mithilfe von
Exergiebilanzen
Aufgrund der Verknappung und Verteuerung fossiler Kohlenstoffquellen
werden industriell zunehmend nachwachsende Rohstoffe eingesetzt. Dadurch gewinnt die Flüssig-Flüssig-Extraktion (siehe Abb. 1) immer mehr
an Attraktivität als energiesparende Trenntechnik. Bisher werden Extraktionsprozesse mit zeitaufwändigen und teureren Experimenten im Technikumsmaßstab ausgelegt. Mit Hilfe des an unserem Lehrstuhl entwickelten
Simulationstools „ReDrop“ (Representative Drops) ist es möglich, die Anzahl dieser Experimente durch Simulationen zu minimieren oder sogar zu
ersetzen.
Die organische chemische Industrie basiert heute fast ausschließlich auf
erdölbasierten Rohstoffen. In den letzten Jahren wird verstärkt die Nutzung
alternativer Kohlenstoffquellen wie Biomasse oder CO2 erforscht. Auf Basis dieser neuen Rohstoffe, deren Stoffeigenschaften sich teilweise deutlich von fossilen Rohstoffen unterscheiden, müssen neue Syntheserouten
und anschließende Trennverfahren systematisch neu entwickelt werden.
Abb. 1: Ausschnitt einer Exraktionskolonne im Betrieb
In der Literatur werden aktuell verschiedene Ansätze zur stofflichen Nutzung von Biomasse diskutiert, die sich größtenteils noch in einem frühen
Entwicklungsstadium befinden. Es wird deshalb eine Möglichkeit benötigt,
diese Ansätze mit den wenigen vorliegenden Informationen quantitativ miteinander zu vergleichen und diejenigen zu identifizieren, die das größte
Potenzial versprechen. Relativ einfache Kombinationen aus Exergie- und
Stoffbilanzen bieten dazu eine thermodynamisch fundierte Basis.
»» Entwicklung einer Technologieplattform zur Extraktion von funktionellen Monomerbausteine, mit Fokus auf biokompatible Verfahren
Funktionelle Monomere basieren heute immer noch im Wesentlichen auf
petrochemischen Rohstoffen, aus denen sie mit mehrstufigen Prozessen
hergestellt werden. Biobasierte und biotechnologisch hergestellte Monomere sind dagegen häufig nicht wettbewerbsfähig. Ziel dieses Projektes ist
daher die Entwicklung eines entsprechenden ressourceneffizienten Produktions- und Aufarbeitungsprozesses ausgehend von biogenen Rohstoffen.
ReDrop kann erfolgreich das Verhalten von pulsierten physikalischen Extraktionskolonnen im Technikumsmaßstab vorhersagen. Grundidee des
Programms ist es, einzelne Tropfen auf ihrem Weg durch eine Extraktionskolonne zu verfolgen und alle Effekte zu berücksichtigen, die auf diese
einwirken. Diese Effekte werden in maßgeschneiderten Labor-Apparaten
untersucht, um anschließend die stoffspezifischen Parameter physikalisch
fundierter Modelle an die Messdaten anpassen zu können.
ReDrop kann bereits erfolgreich Trenneigenschaften und Betriebsgrenzen
von pulsierten und gerührten Kolonnen vorhersagen. Die durchgeführten
Validierungsuntersuchungen wurden bisher hauptsächlich für „saubere“
Standardtestsysteme durchgeführt. Letztendlich ist es allerdings das Ziel,
dass die beschriebene Methode in der Industrie zur Auslegung von Kolonnen mit technisch relevanten Stoffsystemen Anwendung findet. Daher wurde in Kooperation mit der BASF SE ein erster Feldversuch unternommen
und das ReDrop-Konzept an einem realen, industriellen System erprobt
und mit Ergebnissen aus durchgeführten Kolonnenversuchen abgeglichen.
Um die Vielzahl der dabei auftretenden Varianten möglicher Prozesse systematisch behandeln zu können, wurde ein „kaskadierter Optionsbaum“ als eine neue Designstrategie komplexer Prozesse verwendet. Mit diesem Optionsbaum gelingt es, die jeweils
relevantesten Herausforderungen und Probleme der Alternativen zu identifizieren, die dann mit geeigneten Methoden behandelt werden können.
An der AVT.TVT werden zudem Voruntersuchungen und Experimente zur
Aufarbeitung der Zwischen- und Endströme durchgeführt, beispielsweise
mit Extraktion oder Reaktivextraktion, mit Fokus auf die Biokompatibilität
des Prozesses.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Simulation von Extraktionskolonnen mit
ReDrop auf Basis von Einzeltropfenuntersuchungen auch auf industrielle
Systeme anwendbar ist. Es hat sich gezeigt, dass in Zukunft weitere Feldstudien in Kooperation mit der Industrie an realen Systemen durchgeführt
werden sollten, um mehr Sicherheit bzgl. der Belastbarkeit dieser Auslegungsmethodik zu erlangen. Des Weiteren wurde ReDrop sowohl für die
Reaktivextraktion als auch Extraktionskolonnen mit gerührten Einbauten
(Kühni- und RDC-Geometrie) erweitert und erfolgreich validiert. Zusätzlich
wurde auf Basis von Einzeltropfenexperimenten der Einfluss hoher Viskosität auf die Extraktion in Kolonnen detailliert untersucht.
131
»» Philipp Frenzel, Sara Fayyaz, Rafaela Hillerbrand, Andreas Pfennig:
Biomass as Feedstock in the Chemical Industry – An Examination from
an Exergetic Point of View.
Chemical Engineering & Technology, 2013, 36(2), 1-9
»» Florian Buchbender, Markus Schmidt, Tilmann Steinmetz, Andreas
Pfennig:
Simulation von Extraktionskolonnen in der industriellen Praxis.
Chemie Ingenieur Technik, 2012, 84(4), 540-546
»» Florian Buchbender, Ferdy Onink, Wytze Meindersma, André de
Haan, Andreas Pfennig:
Simulation of Aromatics Extraction with an Ionic Liquid in a Pilot-Plant
Kühni Extractor Based on Single-Drop Experiments.
Chemical Engineering Science, 2012, 82, 167-176
»» Nicole Kopriwa, Claudia Reitinger, Hanna Penner, Leona Piana,
Matthias Dumke, Sara Fayyaz, Rafaela Hillerbrand, Andreas Pfennig:
Integration sozialer Aspekte bei der Bewertung von Prozessen auf Basis
erneuerbarer Energien.
In: Michael Decker; Armin Grunwald; Martin Knapp (Eds.): Systemblick auf
Innovation - Technikfolgenabschätzung in der Technikgestaltung, Berlin:
edition sigma 2012, ISBN 978-3-89404-946-1; S 419-423
132
Lehr- und
Forschungsgebiet
Hochtemperatur-Gasdynamik
StoSSwellenlabor
Experimentelle Arbeiten erfolgen auf den Gebieten Hyperschall-Aerothermodynamik von Wiedereintritts-Hyperschallfluggeräten, Profilumströmungen im Transschall, Herstellung von Nanopartikeln in einer
Überschallströmung, Beschleunigung metallischer Pulver in einer Überschalldüsenströmung und Untersuchung der Zündcharakteristik von Biokraftstoffen in einem Stoßrohr. Hierfür stehen ein Stoßwellenkanal mit
Detonationstreiber, ein Stoßrohr-Transschallkanal, ein beheizbares Großstoßrohr sowie diverse kleinere Anlagen zur Verfügung. Messmethoden,
die hierfür eingesetzt werden, müssen zeitlich hochauflösend sein. Die
typische Auflösung beträgt 1 Mikrosekunde.
Messverfahren sind:
Herbert Olivier
SWL - Lehr- und Forschungsgebiet Hochtemperatur-Gasdynamik
Stoßwellenlabor
Schurzelterstraße 35
52074 Aachen
Tel.: +49 241/80-24606
Fax: +49 241/80-22175
[email protected]
www.swl.rwth-aachen.de
»» Druck-, Kraft- und Momentenmessung
»» PIV-Verfahren
»» Schatten- und Schlierenoptik
»» Hitzdrahtanemometrie
»» schnelle Wärmestromsensoren wie Thermoelemente und Dünnfilmsonden (Anstiegszeit 1 Mikrosekunde)
»» Infrarotthermographie
Zur numerischen Simulation stationärer wie auch instationärer Strömungsvorgänge werden verschiedene Methoden wie Differenzenverfahren hoher
Ordnung zur DNS und Reynolds-gemittelte Navier-Stokes Verfahren zur
Berechnung nichtreaktiver und reaktiver Strömungen im thermischen und
chemischen Nichtgleichgewicht eingesetzt.
»» Schwerpunkte
Gasdynamik, Hochtemperatur-Gasdynamik, Hyperschall-Aerothermodynamik, Stoßwellen und Stoßwellenanwndungen, Transschall- und
Überschallströmungen, reaktive Strömungen
Vorlesungen umfassen die Fächer Gasdynamik, Gasdynamik realer Gase,
Stoßwellen und Kurzzeitströmungsmesstechnik.
»» Personal
6 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, stud. Mitarbeiter/-innen
Auslandskontakte:
»» Université de Provence, Marseille
»» University of New South Wales, Australien
»» University of Queensland, Australien
»» Tohoku University, Japan
»» Chinese Academy of Sciences, Peking
»» Russian Academy of Sciences
»» Moskau ITAM
»» Russian Academy of Sciences, Novosibirsk
133
»» Einfluss einer erhöhten Wandtemperatur auf die Außen- und
Innenverdichtung eines Scramjet-Triebwerks
»» Untersuchungen zur Herstellung von Nanopartikeln in einer Pilotanlage unter Ausnutzung gasdynamisch initiierter Prozesse
Scramjet-Triebwerke sind Staustrahltriebwerke, die mit Überschallverbrennung arbeiten. Dieses Forschungsprojekt befasst sich mit dem Einfluss der
Aufheizung der Einlauf- und Triebwerksinnenwände durch die verzögerte
und verdichtete Strömung. Das Verhältnis der Wandtemperatur zur Temperatur der Anströmung hat wesentlichen Einfluss auf die Dicke der Grenzschicht und somit auf die reibungsbehafteten Phänomene wie beispielsweise der Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung. Diese verursacht hohe lokale
Wärmelasten, die zu einem Versagen des Triebwerks führen können. In
der Vergangenheit erfolgten Untersuchungen zur Charakterisierung der
Einlauf- und Brennkammerzuströmung. Zukünftig sollen ebenfalls die komplexen Vorgänge in der Brennkammer experimentell untersucht werden.
Im Zuge der immer bedeutender werdenden Nanotechnologie wird derzeit
ein Reaktor neuartigen Typs entwickelt, der mittels gasdynamischer Prozesse die chemische Reaktion eines Prekursorgases instantan einleiten
und abbrechen soll. Ausgehend von dieser Reaktion setzt die Bildung der
gewünschten Nanopartikel ein. Ein wesentlicher Vorteil dieses Reaktortyps ist neben den extrem hohen Aufheiz- und Abkühlraten seine außergewöhnlich gute Strömungshomogenität. Dies bewirkt für jede Stromlinie
einen nahezu identischen Temperaturverlauf, was zu Partikeln sehr hoher
Qualität führt. Im Reaktor wird mittels einer konvergent-divergenten Düse
eine Überschallströmung erzeugt, die anschließend über eine Serie von
schwachen Verdichtungsstößen, einen so genannten Shock-Train, wieder
verzögert wird. Der dadurch erzwungene Temperaturanstieg in der mit dem
Prekursorgas angereicherten Strömung initiiert chemische Reaktionen, die
zur Entstehung von Nanopartikeln führen. In einer zweiten Überschalldüse
wird das Gas mit den Nanoteilchen gasdynamisch gequenscht und somit
die chemische Reaktion innerhalb kürzester Zeit gestoppt. Am Stoßwellenlabor wurde eine Kaltgasanlage aufgebaut, in der die gasdynamischen
Vorgänge innerhalb des Stoßwellenreaktors untersucht werden. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem Shock-Train Phänomen sowie der Strömung
innerhalb des Reaktorraums. Ein weiteres Ziel des Projekts besteht darin,
die Länge des Shock-Trains zu reduzieren und damit das Kompressionsverhältnis sowie die Aufheizung des Gases zu steigern.
»» Bestimmung der Zündverzugszeiten von Biokraftstoffen
Die Zündverzugszeit eines Kraftstoffs gilt als eine entscheidende Kenngröße für den Verbrennungsprozess im Motor. Die Bestimmung dieses Kennwertes erfolgt in der Regel mit Hilfe eines Stoßrohres. Dabei wird infolge
einer Stoßwelle das Kraftstoff-Luft-Gemisch in sehr kurzer Zeit homogen in
einen Zustand mit hoher Temperatur und hohem Druck versetzt, wobei die
Zündtemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches überschritten wird. Druckmessungen und optische Messverfahren erlauben die Bestimmung der
Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen der Stoßwelle und der Zündung des
Kraftstoffs und damit der Zündverzugszeit. Zur Erzeugung der Stoßwelle
wird ein Teil der Versuchsanlage mit einem Treibgas (z.B Helium) befüllt,
das durch eine Membran vor Versuchsbeginn vom Kraftstoff-Luft-Gemisch
getrennt ist. Dabei ist der Druck auf der Treibgasseite wesentlich höher als
im Kraftstoff-Luft-Gemisch. Zum Auslösen des Versuchs wird die Membran zum Bersten gebracht und aufgrund des Druckunterschieds bildet sich
eine Stoßwelle aus, die durch das Kraftstoff-Luft-Gemisch läuft und nach
Reflektion an der Stoßrohrendwand den gewünschten Zustand erzeugt.
Im Rahmen dieses Projekts werden eine neuartige Messkammer, die den
Einfluss der Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen minimiert, sowie ein
schnell öffnendes Ventil, das die Hauptmembran ersetzen soll, entwickelt.
Die Entwicklung dieses Ventils erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem
Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen. Zur Untersuchung
des Zündverhaltens steht außerdem eine Rapid Compression Machine zur
Verfügung.
»» Instationäre Wellenprozesse bei der Profilumströmung im Transschall
Bei der Umströmung typischer Tragflügelprofile im unteren Transschallbereich, d.h. für Machzahlen zwischen 0,7 und 0,9, treten bei höheren
Reynoldszahlen Wirbelstrukturen in der Grenzschicht auf, die an der
Profilhinterkante abschwimmen und mit dem Nachlaufgebiet des Profils
interagieren. Diese Wirbel bewirken auf deren Oberseite eine lokale Beschleunigung der Strömung bis in den Überschall hin. Die anschließende
Verzögerung der Strömung wird ähnlich wie am Profil durch eine schwache
Druckwelle eingeleitet, die in Hinterkantennähe von dem jeweiligen Wirbel
entkoppelt. Die stromauf laufenden Druckwellen steilen sich zur Profilmitte
hin auf, um sich dann zur Profilnase hin wieder abzuschwächen. Dieses
Phänomen stromauf laufender Druckwellen und deren Wechselwirkung mit
der Tragflügelumströmung wird am Stoßwellenlabor sowohl experimentell
als auch numerisch untersucht. Von besonderem Interesse sind dabei die
Fragen, ob diese Wellen Einfluss haben auf den Grenzschichtcharakter
und die Transition vom laminaren zum turbulenten Zustand, da dies den
Reibungswiderstand und damit den Treibstoffverbrauch moderner Verkehrsflugzeuge mitbestimmt, und ob diese Wellen zur gezielten Beeinflussung der Profilumströmung und der Stoßabschwächung genutzt werden
können.
134
»» Lee C, Vranckx S, Heufer KA, Khomik SV, Uygun Y, Olivier H, Fernandes RX (2012):
On the chemical kinetics of ethanol oxidation: Shock tube, rapid compression machine and detailed modeling study.
Zeitschrift für Physikalische Chemie 226: 1-27
»» Khomik SV, Veyssiere B, Medvedev SP, Montassier V, Olivier H
(2012):
Limits and mechanism of detonation re-initiation behind a multi-orifice
plate.
Shock Waves 22 (3), 199-205
»» Hermes V, Klioutchnikov I, Olivier H (2012):
Linear stability of WENO schemes coupled with explicit Runge-Kutta
schemes.
Int. J. Numer. Meth. Fluids 69: 1065-1095
»» Neuenhahn T, Olivier H (2012):
Laminar incipient separation in supersonic and hypersonic flows.
Int. J. of Aerodynamics 2 (2/3/4): 114-129
»» Weiss A, Olivier H (2012):
Behaviour of a shock train under the influence boundary-layer suction by
a normal slot.
Experiments in Fluids 52 (2): 273-287
135
Lehr- und
Forschungsgebiet
Raumfahrtantriebe
Michael Oschwald
Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen
Lehr- und Forschungsgebiet Raumfahrtantriebe
Templergraben 55
52062 Aachen
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»»
Tel.: +49 6298 28327
Fax: +49 6298 28175
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»» Schwerpunkte
Physikalische und technische Grundlagen der Raumfahrtantriebe Chemische Antriebe Grundlagen der Verbrennung, Treibstoffe, Düsenexpansion
Leistungsbewertung Flüssigantriebe und Motor-Komponenten (Brennkammern, Düsen, etc.) Brennkammerprozesse (Treibstoffaufbereitung, Verbrennung, Kühlung) Triebwerkszyklen Booster, Hauptstufen, Oberstufen,
Kleintriebwerke Testanlagen für Raumfahrtantriebe
»» Personal
136
Verbrennnungsstabilität
Treibstoffaufbereitung
Wärmetransport
Zündung und Triebwerkstransienten
Strukturanalyse, Lebensdauervorhersage
Antriebstechnologien
»» Verbrennungsinstabilitäten in Raketenbrennkammern
Brennkammer B zur Untersuchung des axialen Verlaufs des Wärmeflusses
in Raketenbrennkammern
CFD-Simulation der Strömung in einer Dual-Bell-Düse
»» Analyse des Schadensverhaltens thermisch hoch belasteter
Materialien
»» Transiente Strömungen
»» Wärmetransport in Raketenbrennkammern
»» Strömung in Expansionsdüsen
Prüfstand P8 für Untersuchungen von Forschungsbrennkammern bei
Drücken bis 300 bar beim DLR Lampoldshausen
Prüfstand M3.5 zur Untersuchung des Verhaltens transienter Strömungen
beim DLR Lampoldshausen
137
»» F. Grisch, L. Vingert, P. Grenard, V. Fabelinsky,K. Vereschagin, M.
Oschwald:
”CARS Measurements at High Pressure in a CH4/O2 Jet Flame”,
Progress in Propulsion Physics, Vol.4, L.T. DeLuca, C. Bonnal, O. Haidn,
S.M. Frolov (Eds.), pp. 67-88, Torus Press, 2012
»» J. Hardi, M. Oschwald. B. Dally :
«Acoustic characterisation of a rectangular rocket combustor with liquid
oxygen and hydrogen propellants»,
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G:
Journal of Aerospace Engineering published online 2, March 2012, DOI:
10.1177/0954410012437511
»» M. Sliphorst, B. Knapp, S. Gröning, M. Oschwald:
“Combustion Instability Coupling Mechanisms between LOx/CH4 Spray
Flames and Acoustics“,
Journal of Propulsion and Power, 2012, Vol.28: 1339-1350,
10.2514/1.60313
138
Lehrstuhl für
Verbrennungskraftmaschinen
Es werden klassische verbrennungsmotorische Forschungsthemen, wie
die Entwicklung von hocheffizienten und sauberen Brennverfahren oder die
Umsetzung innovativer Motorkonstruktionen, behandelt. Immer wichtiger
werden zudem Themenfelder wie die virtuelle Motorenentwicklung, die den
gesamten Antriebsstrang betreffende Forschung am Hybridantrieb, sowie
die zunehmend an Bedeutung gewinnende Elektronik am Verbrennungsmotor und im Fahrzeug. Dies alles ist eng verbunden mit der Weiterentwicklung von „intelligenten Methodiken“ in der Versuchsdurchführung und
der Motorapplikation, beispielsweise durch Design of Experiments-Ansätze
(DoE).
Arbeitsschwerpunkte bilden u.a.:
»» die Analyse von Strömung und Gemischaufbereitung mittels experimenteller und numerischer Methoden
»» die experimentellen Arbeiten umfassen u. a. auch optische Sondermesstechniken
»» Optimierung des Verbrennungsprozesses im Versuch, in enger
Kooperation mit begleitender Simulation
»» Grundlagenforschung auf dem Gebiet neuer Abgasnachbehandlungssysteme für Otto- und Dieselmotoren im Chemie- und Katalysatorlabor und am Motorenprüfstand
»» Optimierung von Brennverfahren im Hinblick auf alternative Kraftstoffe
»» Erforschung optimaler Synergieeffekte zwischen Kraftstoff und neuen
Brennverfahren
»» Entwicklung maßgeschneiderter Biokraftstoffe (Tailor-Made Fuels
from Biomass)
»» Motorkonstruktion in der Serienanwendung sowie die Umsetzung innovativer Lösungen zur Reduzierung der Reibung oder zur Erhöhung
der Variabilitäten, wie beispielsweise variable Ventilsteuersysteme
oder ein variables Verdichtungsverhältnis
»» Untersuchung und Optimierung des akustischen Motor- und Fahrzeugverhaltens im Versuch und mittels numerischer Tools
»» Grundlagenforschung und Entwicklungsarbeiten im Bereich Brennstoffzellensysteme und Hybridantriebssysteme
»» Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge, insbesondere mit Range
Extender
»» Regel- und Steuerungssysteme für Fahrzeugantriebe
Stefan Pischinger
VKA - Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen
Schinkelstr. 8
52062 Aachen
Tel.: +49 241/80-95381
Fax: +49 241/80-92255
[email protected]
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Energietechnik, Fahrzeugtechnik und Transport
»» Schwerpunkte
Verbrennungsmotoren
»» Personal
139
»» BREEZE
»» Diesel-Wasser-Mikroemulsionen
Der Projektname steht für „Brennstoffzellen-Range-Extender für Elektrofahrzeuge: Zero Emission!“. Innerhalb dieses Projekts wird gemeinsam mit
Forschungs- und Industriepartnern ein Brennstoffzellen-Range-ExtenderModul (BZ-REM) von der Bipolarplatte bis zum Zellstapel entwickelt. Am
Ende des Entwicklungsprozesses steht die Fahrzeugintegration in ein
Fahrzeug der Subkompaktklasse.
Im Projekt „Systematische Untersuchung und Bewertung der Anwendbarkeit von Diesel-Wasser Mikroemulsionen in schnelllaufenden Großdieselmotoren für Bahn- und Marineanwendungen“ wurden Emulsionskraftstoffe
aus Diesel und Wasser hinsichtlich ihrer Verbrennungseigenschaften untersucht.
Beteiligt sind an dem Projekt neben dem VKA, die FEV GmbH, Graebener
Maschinentechnik und das Zentrum für Brennstoffzellentechnik aus Duisburg. Das VKA bringt sich in dieses Projekt mit der Entwicklung der Subsysteme wie dem Kühlsystem, der Anoden- und der Kathodenversorgung
ein. Zur Realisierung der Kathodenversorgung wird innerhalb des Projekts
ein elektrischer Radialverdichter entwickelt. Außerdem ist die Entwicklung
der Endplatten zur Verspannung des Zellstapels Aufgabe des VKA. Um
ein möglichst kompaktes BZ-REM für den in dieser Fahrzeugklasse stark
eingeschränkten Bauraum realisieren zu können, werden die Nebenaggregate, Aktoren und Sensoren in die Endplatten integriert. Dies stellt eine
wesentliche Innovation gegenüber bekannten Brennstoffzellensystemen
aus der Automobilindustrie dar. In allen Enwicklungsschritten in diesem
Projekt kommt der Werkstoff- und Beschichtungsauswahl eine große Bedeutung zu. Ionenaustrag oder Korrosion kann z.B. zur Schädigungen an
der Membran führen
Abb. 1: Brennstoffzellen-Range-Extender-Modul
Die Einbringung von Wasser in den Brennraum ermöglicht durch absenken der Spitzentemperatur eine Senkung der NOx Emissionen. Im Falle
einer Mikroemulsion können durch veränderte Gemischbildung gleichzeitig
Rußemissionen gesenkt werden. Um ein Entmischen der Emulsion zu verhindern ist ein biphiles Medium (Tensid) nötig, das Diesel und Wasser zu
einer beständigen Emulsion verbindet. Durch den Einsatz großer Mengen
spezieller Tenside sind die hier verwendeten Mikroemulsionen in weiten
Temperatur und Druckbereichen stabil. Es wurden Mikroemulsionen mit einem Wassergehalt von 8 bis 24% eingesetzt. Da wasserhaltige Kraftstoffe
ein erhöhtes Risiko für das Einspritzsystem darstellen, wurden zunächst
Komponentenversuche durchgeführt. Hierbei zeigte sich das Pilotventil der
Magnetventilinjektoren als besonders gefährdet(Abb. 2 oben rechts).
In den folgenden Versuchen in der optisch zugänglichen Hochdruckkammer konnte unter motornahen Randbedingungen gezeigt werden,
dass mit dem Wassergehalt das Verhalten in den frühen Zünd- und Verbrennungsphasen deutlich variiert. Eine signifikante Abmilderung des
Ruß-NOx-Trade-Offs konnte am Einzylindermotor schon mit niedrigen
Wassergehalten erreicht werden. Es wurde deutlich, dass mit steigender Motorlast auch der optimale Wassergehalt steigt (siehe Abb. 2).
Abb. 2: Links: Ruß-NOx-Trade-Off im Lastpunkt n =1600 min-1, pmi =
12.8 bar ; rechts: Pilotventil mit Kavitationsschaden
140
»» Erweiterte Turbinenkennfeldmessung II
Aufladung in Kombination mit Direkteinspritzung und variablen Ventiltriebsteuerzeiten ist der dominierende Trend bei aktuellen Ottomotorkonzepten,
um hohe spezifische Leistung bei gleichzeitig niedrigen Verbrauchswerten
und Schadstoffemissionen zu erreichen. In diesem Zusammenhang führt
die Trennung der Vorauslassstöße zu Vorteilen im Trade-Off zwischen
hohen spezifischen Leistungen und gleichzeitig überzeugendem Drehmoment bei einer niedrigen Eckdrehzahl. Um diese Trennung zu ermöglichen,
werden für 4-Zylinder Motoren unterschiedliche Technologien wie zweiflutige Turbinen oder variable Auslassventilevents verwendet.
Der Schwerpunkt des FVV-Forschungsvorhabens „Erweiterte Turbinenkennfeldmessung II“ liegt auf der Analyse und Modellierung der zweiflutigen Turbine im motorrelevanten Betriebsbereich. Erstmals können alle im
Motorzyklus auftretenden Strömungszustände mit gemessenen Kennkennfeldern beschrieben werden (vgl. Abbildung 3). Neben der Vermessungen
auf dem Brennkammerprüfstand und der darauf aufbauenden Entwicklung
einer kennfeldbasierten Modellierung der Turbine in Motorprozessrechnungen wird eine Doppelstromvolute ausgelegt. Diese wird mit der in Serie
befindlichen Zwillingsstromturbine verglichen.
Abb. 3: Betriebsbereich der zweiflutigen Turbine im Motorzyklus
141
»» Rezaei, R., Pischinger, S., Ewald, J., Adomeit, P.:
„Numerical investigation of the efffect of swirl flow in-homogeneity and
stability on Diesel engine combustion and emissions“,
International Journal of Engine Research, Volume 13, Issue 5, ISSN 14680874, pp. 482 - 496, 2012
»» Awarke, A., Pischinger, S., Wittler, M., Bockstette, J.:
„A 3D mesoscale electro mechanical model of the collector electrode
interface in Li-ion batteries with damage consideration“
Journal of Electrochemical Society, Nr. 159, Ausgabe 6, 0013-4651, pp.
A798 - A808, 04/2012
»» Hinkelbein, J., Lamping, M., Körfer, T., Kremer, F., Schaub, J.,
Pischinger, S.,:
„Experimental realisation of predefined diesel combustion processes using
advanced closed loop combustion control and injection rate shaping“,
International Journal of Engine Research, eISSN 2041-3149, ISSN 14680874, Vol. 13, No. 6, pp. 607 - 615, 12/2012
»» Jakob, M., Hülser, T., Janssen, A., Adomeit, P., Pischinger, S., Grünefeld, G.:
„Simultaneous High-Speed Visualization of Soot Luminosity and OH* Chemiluminescence of Alternative Fuel Combustion in a HSDI Diesel Engine
under Realistic Operating Conditions“,
Elsevier Journal Combustion and Flame, Volume 159, Issue 7, ISSN
0010-2180, pp. 2516 - 2529, 2012
142
Institut für
Technische
Verbrennung
Forschung auf den Gebieten der turbulenten Verbrennung und deren Anwendungen in Motoren, Gasturbinen und Brennkammern, Reakionskinetik,
Turbulenztheorie, Mehrphasenströmungen und der Elektrochemie mit Anwendungen auf Brennstoffzellen. Die Vorgehensweise besteht aus der simultanen theoretischen Modellbildung, der numerischen Simulation sowie
deren experimentellen Validierung.
Im Rahmen des SFB 686 „Modellbasierte Regelung der homogenisierten
Niedertemperaturverbrennung“ sind regelungstechnische Aspekte hinzugekommen.
Ein weiterer Schwerpunkt besteht bei „Tailor-made fuels from biomass“ im
Rahmen des gleichnamigen Exzellenz-Clusters. Am Institut werden Dieselmotoren betrieben und Messungen an verschiedenen Strömungsreaktoren,
Hochdruck-Verbrennungskammern und offenen Flammen durchgeführt.
Für numerische Simulationen stehen hauseigene Codes für direkte numerische Simulation (DNS), Large Eddy Simulation (LES), Reynolds-averaged
Navier-Stokes (RANS) und 1-D Flammensimulationen zur Verfügung.
»» Experimentelle und numerische Untersuchungen:
Experimente werden unter Verwendung von laseroptischen Methoden,
schlieren- und schattenoptischen Verfahren, Particle Image Velocimetry (PIV), Rayleigh-Spektroskopie, Gaschromatographie und Massenspektroskopie durchgeführt. Anwendungen in Motorexperimenten,
Regelung dieselmotorischer Verbrennung, Dual-Fuel Konzept, Rußbildung, experimentellen Untersuchungen der Strahlausbreitung und
Gemischbildung von Hochdruckeinspritzsystemen, Kinetikexperimenten, Bestimmung von Brenngeschwindigkeiten und Zündverzugszeiten.
Heinz Pitsch
ITV - Institut für Technische Verbrennung
Templergraben 64
52056 Aachen
Tel.: +49 241/80-94607
Fax: +49 241/80-92923
[email protected]
www.itv.rwth-aachen.de
Energietechnik, Computational Engineering Science (CES)
»» Schwerpunkte
Forschung und Lehre in den Gebieten der Verbrennung,
Thermodynamik, turbulenten Strömungen, Mechanik
»» Personal
»» Theorie und Simulation:
LES turbulenter Verbrennung, Schadstoffbildung, Primärzerfall in Mehrphasenströmung, Sprayverbrennung, Entwicklung und Reduktion von
Reaktionsmechanismen, Simulation der otto- und dieselmotorischen
Verbrennung, von Industrie- und Haushaltsbrennern sowie der Gasturbinenverbrennung, quantenchemische und Monte-Carlo Simulationen von
elektrokatalytischen Vorgängen und Mehrskalenmodellierung in Brennstoffzellen.
143
»» Large-Eddy Simulation und Modellierung des skalaren turbulenten/
nicht-turbulenten Interface
In diesem Projekt wird das skalare Interface zwischen turbulenten und nicht
turbulenten (T/NT) Regionen am Beispiel eines runden Freistrahls untersucht. Im Fokus stehen sowohl das grundlegende Verständnis sowie die
Güte von Feinstruktur-Modellen in Large-Eddy Simulationen (LES). Dazu
werden Ergebnisse mehrerer LES (Abb. 1) mit verschiedener Gittergröße
eines nichtreaktiven, turbulenten Freistrahls mit experimentellen Daten der
gleichen Konfiguration verglichen.
Die turbulente Region (T) im inneren des Jets und die nicht-turbulente
Region (NT) außerhalb des Jets sind durch die dünne Schicht des
T/NT Interface getrennt. Dieses Interface hat im Zusammenhang mit
der Verbrennung eines nicht-vorgemischten Systems große Bedeutung, da die Verbrennung in einer dünnen Schicht um den stöchiometrischen Mischungsbruch stattfindet. Aufgrund der typischerweise sehr
niedrigen Werte des stöchiometrischen Mischungsbruchs findet die
Verbrennung in einer Freistrahlflamme am äußeren Rand des Treibstoffjets statt, welcher durch das T/NT Interface charakterisiert wird.
Anhand der experimentellen Daten wurde gezeigt, dass die Interfacedicke
mit der Taylorlänge skaliert. Weiterhin wurden die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (pdf) des Mischungsbruchs an verschiedenen axialen und
radialen Positionen aus den LES Ergebnissen und den experimentellen
Daten ausgewertet (Abb. 2).
Die Ergebnisse der LES zeigen im Allgemeinen gute Übereinstimmung mit
den experimentellen Daten. Insbesondere in Strömungsregionen, in denen
der Einfluss des T/NT Interface groß ist, treten jedoch Unterschiede zwischen Simulation und Experiment auf. Darüber hinaus werden Statistiken
des Interface untersucht und es wird eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen der fein aufgelösten LES und den experimentellen Daten
für die pdf der Position des Interface ermittelt. Die gröber aufgelöste LES
zeigt deutliche Abweichung zu den experimentellen Werten für die pdf der
Position des Interface. Dies zeigt, dass hier Modellierungsbedarf besteht.
Als letzte Größe wird der Verlauf des Mischungsbruchs über das T/NT Interface von LES und Experiment verglichen. Im Experiment zeigt sich ein
scharfer Übergang zwischen diesen beiden Zonen.
Die Ergebnisse beider LES zeigen einen weniger scharfen Verlauf und der
Übergang wird in radialer Richtung zur nicht turbulenten Zone verwischt.
Mit Hilfe dieser Ergebnisse werden neue Annahmen für zukünftige Modelle
entwickelt und validiert, um verbesserte Simulationsergebnisse im Übergangsbereich zwischen turbulenten und nicht turbulenten Regionen zu
erzielen.
Abb. 1: Darstellung des Mischungsbruchs und des T/NT Interface aus
LES
Abb. 2: Vergleich des Verlaufs des konditionierten Mischungsbruchs über
das T/NT Interface aus LES mit verschiedener Auflösung und Experiment
144
»» MILD-Verbrennung
Eine Zukunftstechnologie für Gasturbinen
Verbrennungsprozesse unter sehr mageren Bedingungen oder hohen
Abgasrückführraten bei gleichzeitiger Vorwärmung der Frischluft führen
zu einer signifikanten Reduktion der Spitzentemperaturen innerhalb der
Brennkammer und somit stark reduzierten NOx-Emissionen bei gleichzeitig
minimalen CO-Emissionen. Unterschiedliche Technologien beruhend auf
diesem Verbrennungskonzept sind bereits entwickelt worden, so z.B. Flameless Oxidation (FLOX) und Moderate and Intense Low oxygen Dilution
combustion (MILD). Diese Brennverfahren werden schon seit einigen Jahren in Feuerungssystem unter Atmosphärendruck erfolgreich angewandt
und tragen dort zu einem erheblich verminderten Ausstoß von Stickoxiden
und Kohlenstoffmonoxid bei. Aufgrund von zukünftig verschärften Abgasgrenzwerten für Gasturbinen gilt das MILD-Konzept als vielversprechende
Technologie zur Emissionsreduktion.
Die Applikation der MILD-Verbrennung in Gasturbinen ist wesentlich komplexer als in Feuerungssystemen. In Gasturbinen werden aus Effizienzgründen sehr hohe Temperaturen benötigt, die zu einer steigenden Reaktivität des Kraftstoffs und damit zu einem verkürzten Zeitintervall für den
Mischungsprozess von Frischluft, Kraftstoff und Abgas führen. Des Weiteren kann es beim transienten Betrieb von Gasturbinen, wie er aufgrund der
Anforderung flexibler Energiebereitstellung immer häufiger benötigt wird,
zum Auftreten von Instabilitäten der MILD-Verbrennung kommen
Um diesen Herausforderungen begegnen zu können, sind detaillierte
Kenntnisse über den Einfluss variierender Versuchsbedingungen auf das
MILD-Verbrennungskonzept von entscheidender Bedeutung. Daher wurde im vergangenen Jahr im Rahmen des SFB 686 eine Brennkammer
zur Untersuchung der MILD-Verbrennung unter Gasturbinenbedingungen
entwickelt und in Betrieb genommen (Abb. 3). Die Brennkammer ist für
typische Gasturbinendrücke von über 20 bar ausgelegt. Ein Rekuperator
unterhalb der Brennkammer erlaubt die Aufheizung der in die Brennkammer eintretenden Gase auf Turbinenbrennkammereinlasstemperaturen von
400-600°C.
Erste Ergebnisse zeigen das Potential der MILD-Verbrennung in Bezug auf
niedrige CO und NOx-Emissionen (Abb. 4). In dieser Versuchsreihe ist das
Kraftstoff-Luftverhältnis variiert worden, während die Brennkammereinlasstemperatur bei 600°C und der Druck bei 1 bar konstant gehalten wurden.
Hohe NOx Emissionen treten bei stöchiometrischen, hohe CO-Emissionen
bei sehr mageren Gemischen auf. Dagegen ist der Bereich von ф=0.25-0.5
durch sehr niedrige CO- und NOx-Emissionen gekennzeichnet und somit
ein potentieller Bereich für Gasturbinenbetriebspunkte.
Zukünftig werden die Effekte höheren Drucks und die Mischungsprozesse
in der Kammer mittels optischer Messtechnik detailliert untersucht.
Abb. 3: Querschnitt der MILD-Brennkammer am ITV
Abb. 4: CO- und NOx-Emissionen in Abhängigkeit vom Kraftstoff-Luftverhältnis
145
»» Knudsen, E.; Richardson, E. S.; Doran, E. M.; Pitsch, H.; Chen, J. H.:
Modeling scalar dissipation and scalar variance in large eddy simulation:
Algebraic and transport equation closures
In: Physics of fluids, 24, 1089-7666, 2012.
»» Peters, Norbert:
Turbulence statistics along gradient trajectories
In: Zeitschrift für angewandte Mathematik und Mechanik, 92 , 4-7, 2012.
»» Bisetti, F.; Blanquart, G; Mueller, M. E.; Pitsch,H.:
On the formation and early evolution of soot in turbulent nonpremixed
flames
In: Combustion and flame, 159, 1556-2921, 2012.
»» Schäfer, Philipp; Gampert, Markus; Peters, Norbert:
The length distribution of streamline segments in homogeneous isotropic
decaying turbulence
In: Physics of Fluids, 24, 1089-7666, 2012.
»» Mueller, Michael E.; Pitsch, Heinz:
Les model for sooting turbulent nonpremixed flames
In: Combustion and flame, 159, 1556-2921, 2012.
146
Physico-Chemical
Fundamentals of
Combustion
Research Focus
The Junior Research group „Physico Chemical Fundamentals of Combustion“ is engaged in research and teaching activities on fundamental
combustion chemistry and advanced diagnostics of combustion processes.
The goal is to deeply understand the underlying reaction mechanisms of
the combustion processes of conventional and novel transportation fuels
towards clean and efficient combustion. Our main research goal is therefore
to investigate this chemistry using diverse and „state-of the art“experimental
facilities (eg. shock tubes and Rapid Compression Machine (RCM)). Both
optical and mass-spectrometry based diagnostic techniques facilitate the
interrogation of this chemistry.
A further aim of the group is to develop detailed chemical kinetic models
based on the strong interactions of theory, computational kinetics, thermo
chemical and group additivity based rate estimation methods. The mechanisms are then validated with experimental data to develop predictive models which will facilitate the fuel design process.
Juniorprof. Dr.-rer. nat.
Ravi Xavier Fernandes
ITV - Institut für Technische Verbrennung
PCFC - Physico-Chemical Fundamentals of Combustion
Templergraben 64
52056 Aachen
Tel.: +49 241/80-94607
Fax: +49 241/80-92923
[email protected]
www.itv.rwth-aachen.de
www.pcfc.rwth-aachen.de
»» Field of Study
Combustion Chemistry, Spectroscopy and Laser Diagnostics in Combustion, Reaction Kinetics and Thermodynamics
»» Main focus
Combustion Chemistry, Fundamentals of Combustion with special emphasis on Reaction Kinetics, Biofuels, Laser Diagnostics, Catalytic Combustion, Auto-ignition, Chemistry of Pollutant and Soot formation/abatement,
Controlled Auto-ignition in Engines, Atmospheric Chemistry & Kinetics,
Shock induced gas phase synthesis of functional nano-materials
»» Staff
1 professor, 0 chief engineer, 3 scientific staff,
0 non-scientific staff, 7 stud. staff
147
Projects
»» Experimental studies of low temperature ignition chemistry of Biofuels
using a Rapid Compression Machine (RCM)
»» Development of detailed kinetic models for novel fuels derived from
Biomass
»» Low-and Intermediate temperature combustion of biofuels using a
high Pressure
»» Shock tube (Co-Project with SWL)
»» Ab-initio kinetics of elementary reactions in combustion
»» Kinetics, Reaction intermediates and Mechanisms of the Ignition
chemistry of Biofuels
»» High speed Schlieren Imaging of combustion processes in shock
tubes (Co-Project with SWL)
148
Publications
»» S. Vranckx, C. Lee, H.K. Chakravarty, R.X. Fernandes :
A rapid compression machine study of the low temperature combustion of
cyclohexane at elevated pressures.
Proceedings of the Combustion Institute (2012) http://dx.doi.org/10.1016/j.
proci.2012.06.071
»» S. Vranckx, J. Beeckmann, W. A. Kopp, C. Lee, L. Cai, H. K. Chakravarty, H. Olivier, K. Leonard, H. Pitsch, R. X. Fernandes :
An experimental and kinetic modeling study of n-butyl formate combustion.
Combustion and Flame, DOI: 10.1016/j.combustflame.2013.06.012
»» H. K. Chakravarty, R. X. Fernandes :
Reaction Kinetics of Hydrogen Abstraction Reaction by Hydroperoxyl
Radical from 2-Methyltetrahydrofuran and 2,5-Dimethyltetrahydrofuan.
Journal of Physical Chemistry A, 2013, 117 (24), pp 5028–5041, DOI:
10.1021/jp402801c
»» K. P. Somers, J. M. Simmie, F. Gillespie, C. Conroy, G. Black, W. K.
Metcalfe, F. Battin-Leclerc, P. Dirrenberger, O. Herbinet, P. A. Glaude, P.
Dagaut, C. Togbe, K. Yasunaga, R. X. Fernandes, C. Lee, R. Tripathi, H.
J. Curran :
A comprehensive experimental and detailed chemical kinetic modelling
study of 2,5-dimethylfuran pyrolysis and oxidation.
Combustion and Flame, in revision
Third-party Funds 2012
Third-Party Funds expenditure: 253.000 €
149
Lehrstuhl für
Solartechnik
Institut für
Solarforschung
Robert Pitz-Paal
Lehrstuhl für Solartechnik
DLR - Institut für Solarforschung
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
Linder Höhe
51147 Köln
Tel.: +49 2203/601-2744
Fax: +49 2203/601-4141
[email protected]
www. dlr.de/sf
Maschinenwesen
»» Schwerpunkte
Konzentrierende Solarsysteme und deren Einbindung in konventionelle
Kraftwerke sowie ihre Verwendung zur Erzeugung von Prozesswärme,
zur Herstellung von Brennstoffen und Reinigung von Abwässern
»» Personal
Der Leiter des Lehrstuhls für Solartechnik Prof. Pitz-Paal ist gleichzeitig
auch Co-Direktor des DLR Instituts für Solarforschung mit Sitz in Köln. Die
aus der Kooperation zwischen der RWTH und dem DLR resultierenden
Synergien wirken sich positiv auf Forschung und Lehre aus.
Die Forschungsarbeiten des Lehrstuhls werden in den Laboren und Forschungseinrichtungen des DLR Instituts für Solarforschung durchgeführt.
Studierende der RWTH haben die Möglichkeit ihre Studien-, Diplom- und
Doktorarbeiten am DLR Institut für Solarforschung zu erstellen.
Das Institut für Solarforschung im DLR ist mit mehr als 100 Mitarbeitern
eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der
Solarthermie. Gemeinsam mit industriellen Partnern werden konzentrierende Solarsysteme zur Wärme-, Strom und Brennstofferzeugung für eine
nachhaltige Energieversorgung der Erde optimiert und weiter entwickelt.
Mitarbeiter des Instituts arbeiten an den Forschungseinrichtungen in Köln,
Stuttgart und Jülich sowie mit einer permanenten Delegation von 10 Mitarbeitern am größten europäischen Testzentrum für konzentrierende Solartechnologien, der Plataforma Solar in Almería.
Zu den Labors und Versuchsanlagen des Instituts für Solarforschung in
Köln gehören ein Hochflussdichte-Sonnenofen (20 kW), ein Hochleistungsstrahler und das Qualifizierungszentrum Quarz®.
Im CeraStorE® beim DLR in Köln arbeiten Wissenschaftler aus den Bereichen Solarforschung, Werkstattforschung und Technische Thermodynamik
gemeinsam an der Entwicklung von neuen Energiespeichermethoden.
In Jülich betreibt das Institut am einzigen Solarturm-Kraftwerk Deutschlands Forschung im industrierelevanten Maßstab.
150
»» Solare Turmkraftwerke
Bei Solaren Turmkraftwerken wird solare Direktstrahlung über nachgeführte Spiegelsysteme, sogenannte Heliostate, konzentriert und in Hochtemperaturwärme umgewandelt. Diese Wärmeenergie wird entweder direkt
zum Antrieb eines thermischen Kraftwerkskreislaufs (z.B. Rankine-Dampfprozess) eingesetzt oder in einem thermischen Speicher zwischengespeichert. Aufgrund der Komplexität einer derartigen Anlage und der transienten Strahlungsleistung der Sonne ist der optimale Betrieb eines solaren
Turmkraftwerks eine große Herausforderung.
Dieses Problem wird in dem mit NRW-Landesmitteln geförderten Projekt
„Simulationsunterstützte Betriebsoptimierung für Solarturmkraftwerke“
(SiBopS) bearbeitet, bei dem unter anderem das DLR-Institut für Solarforschung und die RWTH-Institute für Regelungstechnik (IRT) und für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen (IKDG) zusammenarbeiten. Ziel
des Projekts ist die Effizienzsteigerung durch softwarebasierte Instrumente
der Betriebsführung.
Abb. 1: Das solare Versuchskraftwerk in Jülich
Ein Verfahren konzentriert sich auf die optimale Verteilung der reflektierten Strahlung auf der Oberfläche des Strahlungsempfängers (Receiver).
Die lokale Bestrahlungsstärke der Receiverfläche hat starke Auswirkungen
sowohl auf den Umwandlungswirkungsgrad in Wärme als auch auf die
Materialbelastung des Receivers. Durch die sich ständig ändernden Strahlungsbedingungen ist eine häufige Korrektur der Verteilung der Zielpunkte der Heliostaten nötig. Bei Spiegelfeldern mit üblicherweise mehreren
Tausend einzeln der Sonne nachgeführten Heliostaten führt die gewaltige
Anzahl an Freiheitsgraden in der Spiegelausrichtung zu einem praktisch
unlösbaren Optimierungsproblem. Es wurde daher in den letzten Jahren
ein heuristisches kombinatorisches Verfahren entwickelt, das auf einen aus
der Verhaltensbiologie abgeleiteten Optimierungsalgorithmus zurückgreift.
Dieses Verfahren zur Zielpunktoptimierung wird im Projekt SiBopS weiterentwickelt und am Solarturm Jülich im realen Betrieb getestet.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung eines modellbasierten Betriebsassistenzsystems (BAS), das während des Kraftwerksbetriebs, ausgehend vom momentanen Anlagenzustand, den Betrieb für einen gewissen
Zeithorizont (z.B. eine Stunde) vorausberechnen kann. Das BAS kann in einer einfachen Form vom Anlagenfahrer genutzt werden, um die Auswirkung
eines geplanten Stelleingriffs zu studieren (Manöversimulator). In seiner
Endfassung soll das Betriebsassistenzsystem unter Einbeziehung der momentanen und zukünftigen Randbedingungen die jeweils effizienzoptimale
Betriebsweise der Anlage berechnen. Dazu werden geeignete dynamische
Modelle der Anlage erstellt und entsprechende Optimierungsverfahren
ausgewählt. Das Betriebsassistenzsystem wird im Solarturm Jülich auf geeigneter Hardware implementiert und im realen Kraftwerksbetrieb getestet.
Abb. 3: Optimierte Flussdichteverteilung auf der Receiveroberfläche
Abb. 2: Prinzip-Schaltbild des solare Versuchskraftwerk
Abb. 4: Die Stufen des Betriebsassistenzsystem
151
»» Belhomme, B.:
Bewertung und Optimierung von Zielpunktstrategien für solare Turmkraftwerke.
Shaker Verlag, Aachen 2011
»» Nolteernsting, D. Fischer, J. Gall and D. Abel:
Optimal Storage Usage in CSP: A Dynamic Programming Approach,
in SolarPACES , Marrakesh, 2012.
»» J. Gall:
Betriebsführung und -optimierung eines solarthermischen Turmkraftwerks,
Düsseldorf: VDI Verlag GmbH, 2012
»» Nolteernsting and D. Abel:
How to maximize the output of a given powerplant:
Implementation of an operation assistance system in a solar power tower,
in SolarPACES Las Vegas, 2013 (in press)
»» Ahlbrink, N., Belhomme, B., Flesch, R., Maldonado Quinto, D., Rong,
A. and Schwarzbözl, P: STRAL:
Fast Ray Tracing Software with Tool Coupling Capabilities for High-Precision Simulations of Solar Thermal Power Plants.
Proceedings of 18th SolarPACES International Conference, 11-14 September 2012, Marrakech, Morocco
152
Lehrstuhl für
Lasertechnik
»» Generative Verfahren
»» Bohren
»» Integrative Produktion
»» 3D-Volumenstrukturierung
»» Ultrafast
»» Nano- und Mikrostrukturieren
»» Dünnschichttechnik
»» Strahlquellen
»» Messtechnik
»» Plasmatechnik
»» Systemtechnik
»» Modellierung und Simulation
»» Oberflächenanalytik
Reinhart Poprawe M.A.
LLT - Lehrstuhl für Lasertechnik
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Tel.: +49 241/890-6143
Fax: +49 241/890-6112
[email protected]
www.llt.rwth-aachen.de
Produktionstechnik, Konstruktion und Entwicklung, Verkehrstechnik,
Grundlagen des Maschinenwesens, Wirtschaftsingenieurwesen,
Technik-Kommunikation
»» Schwerpunkte
Generative Verfahren, Bohren, Integrative Produktion, 3D-Volumenstrukturierung, Ultrafast, Nano- und Mikrostrukturieren, Dünnschichttechnik,
Strahlquellen, Messtechnik, Plasmatechnik, Systemtechnik
»» Personal
153
»» Topologieoptimiertes Bauteildesign
»» Aufgabenstellung:
Mit Topologieoptimierungsmethoden kann die Geometrie eines Bauteils
optimal an funktionale Anforderungen (z.B. Krafteinleitung, Festigkeit) angepasst werden. So können beispielsweise sehr leichte und gleichzeitig
sehr steife Bauteile entworfen werden. Das resultierende Design zeichnet
sich meist durch eine filigrane, bionische Struktur aus, die auch innere
Hohlstrukturen umfassen kann. Da ein solches Design mit konventionellen
Fertigungsverfahren nicht herstellbar ist, werden die Ergebnisse der Topologieoptimierung nur als Anhaltspunkt verwendet und das Design von Hand
so angepasst, dass es z.B. gegossen oder zerspant werden kann. Die
Bauteile werden dabei wieder massiver und schwerer, d. h. die Möglichkeiten der Topologieoptimierung werden nur teilweise genutzt. Generative
Fertigungverfahren erlauben die Fertigung nahezu beliebiger Geometrien
und bieten somit die Möglichkeit, das Potenzial der Topologieoptimierung
vollständig zu nutzen.
»» Ergebnis:
Auftragraten Ausgangspunkt ist das Design für einen Achsschenkel, das
für das Hochgeschwindigkeitszerspanen optimiert war. Im Vergleich zu
diesem über Jahre mehrfach optimierten Design konnten mit der SLMspezifischen Topologieoptimierung ca. 18 Prozent des Bauteilgewichts
eingespart werden. Der SLM-optimierte Achsschenkel hat Abmessungen von ca. 220 mm x 160 mm und wurde mithilfe von High Power Selective Laser Melting (HP-SLM) mit einer Laserleistung von 500 W aus
einer hochfesten Aluminiumlegierung (AlMgSc) aufgebaut (Abb. 1).
»» Anwendungsfelder:
Anwendungsfelder für generativ gefertigte, topologieoptimierte Bauteile sind neben dem Automobilbau vor allem die Luft- und Raumfahrtindustrie, da hier das Bauteilgewicht eine wesentliche Rolle spielt.
»» Vorgehensweise:
Bei der Fertigung mit Selective Laser Melting (SLM) müssen die Algorithmen zur Topologieoptimierung an die fertigungstechnischen Möglichkeiten
von SLM angepasst werden. Dazu werden z. B. Filterfunktionen und Gitterparameter an minimal realisierbare Featuregrößen angepasst. Ein derart
topologieoptimiertes Design muss nur leicht geglättet werden, um anschließend direkt mit SLM aufgebaut zu werden
Abb. 1: Generativ gefertigtes, topologieoptimiertes Automobilbauteil
154
»»
Montierte Mikrobauteile aus Glas
»» Aufgabenstellung:
Für mikromechanische Systeme werden Mikrobauteile mit maskenbasierten oder abformenden Verfahren hergestellt, welche für Prototypen und
kleine Stückzahlen oft nicht geeignet sind. Das anschließende Zusammensetzen der Mikrobauteile zu einem mikromechanischen System ist aufwendig, wenn die Bauteile klein und komplex sind. Daher ist die Herstellung von
bereits zusammengebauten mikromechanischen Systemen insbesondere
für Prototypen und Kleinserien vorteilhaft. Ziel ist eine individualisierte Produktion von komplexen Strukturen durch digitale photonische Produktion,
also die laserbasierte Fertigung direkt aus digitalen Daten (CAD). Für transparente Werkstoffe ist ein für die digitale photonische Produktion geeignetes Verfahren das laserinduzierte selektive Ätzen.
»» Vorgehensweise:
Das selektive laserinduzierte Ätzen ist ein zweistufiger Prozess: Im ersten
Schritt wird das für die Laserstrahlung transparente Material im Inneren
modifiziert. Dafür wird ultrakurz gepulste Laserstrahlung (500 fs - 5 ps)
fokussiert (1 - 2 μm). Durch die Bewegung des Fokus wird ein zusammenhängendes Volumen modifiziert, welches Kontakt zur Außenfläche
des Werkstücks aufweist. Im zweiten Schritt wird das modifizierte Material
selektiv durch nasschemisches Ätzen entfernt. Für die digitale photonische
Produktion von komplexen Bauteilen werden aus den digitalen CAD-Daten
die Bahndaten für den Laserfokus erstellt und mittels CAM-Software das
Mikroscannersystem synchron gesteuert. Das Mikroscannersystem und
die Bauteile sollen durch ein ausgegründetes Unternehmen zukünftig kommerziell verfügbar werden.
»» Ergebnis:
In Quarzglas wird ein Zahnrad von 4 mm Durchmesser hergestellt, welches
nach dem Ätzen drehbar auf seiner Achse montiert ist (Abb.2). Ähnlich diesem Demonstrator können komplexe mikromechanische Systeme wie beispielsweise Getriebe auf der Basis von CAD-Daten hergestellt werden. Für
Anwendungsfelder in der Mikrofluidik wird beispielsweise ein dreidimensionaler Mikromischer mit vier Kanälen und einer beweglichen Glaskugel im
Inneren des Mischvolumens hergestellt (Abb.3).
»» Anwendungsfelder:
Anwendungsfelder sind die Mikromechanik für individuell und bereits montiert gefertigte Mikrokomponenten sowie die Mikrofluidik, in der Hohlstrukturen zum Einsatz kommen.
Abb. 3: Bewegliche Glaskugel im Mikromischer
Abb. 2: Bewegliches, montiertes Zahnrad in Glas
155
»» Gottmann, J., Hermans, M., Hörstmann-Jungemann, M., Schaefer, D.:
Selective laser etching of sapphire & glasses,
Ind. Laser Sol. Manuf. 27(2), 8-13 (2012)
»» Ocylok, S., Kelbassa, I.:
Study on cracks in laser direct-cladded titanium layer on low carbon steel,
Acta Metallurgica Sinica Vol. 48 No. 2, pp.142–147 (2012)
»» Reininghaus, M., Wortmann, D., Finger, J., Faley, O., Poprawe, R.,
Stampfer, C.:
Laser induced non-thermal deposition of ultrathin graphite,
Appl. Phys. Lett. 100, Nr. 15, 1-3 (2012)
»» Merkt, S., Hinke, C., Schleifenbaum, H., Voswinckel, H.:
Geometric complexity analysis in an integrative technology evaluation
model (ITEM) for selective laser melting (SLM),
South African Journal of Industrial Engineering, Vol 23 (2), pp 97-105
(2012)
»» Kelbassa, I., Gasser, A., Meiners, W., Backes, G., Müller, B.:
High speed LAM,
Proceeding of the 37th International MATADOR Conference, 5 S. (2012)
156
Lehrstuhl für
Medizintechnik
Helmholtz-Institut für
Biomedizinische Technik
Der Lehrstuhl für Medizintechnik beschäftigt sich mit grundlagen- und
anwendungsorientierten Aspekten der Entwicklung und Evaluierung von
Technologien und Systemen für die computerunterstützte modellbasierte
Therapie auf der Basis einer erfolgreichen interdisziplinären Zusammenarbeit von Medizin und Ingenieurwissenschaften.
Klaus Radermacher
Die derzeitigen Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten im Bereich der
Orthopädie und Traumatologie, der Neurochirurgie, der minimal-invasiven
endoskopischen Chirurgie und der interventionellen Radiologie sowie der
MKG-Chirurgie und Dentalmedizin werden zu 70-80% aus Drittmitteln finanziert. Das Spektrum reicht von Anforderungsanalysen und Grundlagenentwicklungen, über spezifische Machbarkeitsstudien (proof of concept)
und Gesamtsystementwicklungen bis hin zu Gebrauchstauglichkeitsstudien und der technischen Betreuung klinischer Studien in enger Kooperation
mit industriellen und klinischen Partnern.
Pauwelsstraße 20
52074 Aachen
mediTEC - Lehrstuhl für Medizintechnik
Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen
Tel.: +49 241/80-23870
Fax: +49 241/80-22870
[email protected]
www.meditec.hia.rwth-aachen.de
Schwerpunktthemen:
»» Bild- und Informationsverarbeitung
»» Biomechanische Modellierung und Simulation
»» Chirurgische Navigation und Robotik
»» Sensorintegrierte Instrumente („Smart Instruments“)
»» Ultraschall- und Stoßwellentechnik in der Medizin
»» Ergonomie und Risikomanagement
Grundlagen des Maschinenwesens, Allgemeiner Maschinenbau
»» Schwerpunkte
Medizintechnik, Biomaterialien, Diagnostische und Therapeutische
Instrumenten- und Gerätetechnik; Biomechanik, Computergestützte
Chirugietechnik; Ergonomie, Mensch-Maschine-Interaktion und
Risikomanagement
»» Personal
157
»» Biomechanics of the wrist
»» IDA – Intraoral Data Acquisition Using Ultrasound Micro-Scanning
In cooperation with the Department of Plastic Surgery, Hand and Burns
Surgery (University Hospital Aachen) we develop enhanced biomechanical multi body simulation models of the wrist joint. For experimental model
validation US, CT and MRT image data as well as motion analysis with
miniaturized magnetic tracking sensors are used. The identification of appropriate parameters and strategies for surgical therapy planning are major
objectives of our work.
Computer-integrated manufacturing of dental pros-thesis such as crowns,
bridges and inlays gains more and more importance due to its high accuracy and its time efficiency. One crucial step of the CAD/CAM process is
the precise intraoral surface digitization of the tooth preparation with an
accuracy of better than 50 µm. The objective of the interdisciplinary IDAproject* is the development of an US based intraoral micro-scanner replacing the conventional casting process without the draw-backs of current
optical scanners.
The first lab-type of the IDA micro-scanner integrating a focused high frequency US transducer has been successfully implemented and tested. The
high accuracy of the 2-axis ultrasonic scanner prototype has been confirmed by in-vitro laser measurements and a conventional dental optical
scanner.
Results of model based simulation and motion analysis of wrist joint
biomechanics
Evaluation of ultrasound micro-scanning with the IDA Sonic prototype:
lab set-up
»» Impedance Controlled Surgical Instrumentation
Revision total hip replacement surgery is one of the standard procedures
in orthopedic surgery. In case of a cemented prosthesis stem the bone
cement removal out of the femoral cavity is important for the success of
the surgical intervention. The project ICOS* investigates the approach of
using the variation of electrical impedance during bone cement removal
for an intraoperative robot assisted real-time control of the remaining bone
cement. A milling tool and the MINARO mini-robot system were adapted
for im-pedance measurement. Furthermore, a strategy for real-time milling
path generation using only local information from impedance measurement
was developed and actually undergoes experimental evaluation.
Experimental set-up for the impedance controlled robotic milling with the
MINARO system
»» smartOR demonstrator
Over the last three years, the smartOR* project created an innovative solution for the integration of medical devices and IT systems in operating
rooms. The development of an open surgical communication bus and interfaces for a platform and vendor independent solution on the basis of a
service oriented architecture (SOA) are key elements of the concept.
The smartOR partners were able to demonstrate a plug-&-play implementation and integration of several IT systems of different vendors at the conhIT 2012 trade fair and on an official status symposium and work shop in
November 2012. The results of the smartOR project are one essential basis
for the BMBF project OR.NET* aiming to take the medical IT integration to
the next level by migrating from an OR-only system to a clinic-wide integrated platform.
smartOR demonstrator
Further information on actual research projects:
www.meditec.hia.rwth-aachen.de/en/research.html
158
»» Jörg Eschweiler; Lorenz Fieten; Jasmin Dell Anna; Koroush Kabir;
Sascha Gravius; Markus Tingart; Klaus Radermacher:
Application and evaluation of biomechanical models and scores for the
planning of total hip arthroplasty
Journal of Engineering in Medicine, Vol. 226, pp. 955-967, 2012
»» M. Niggemeyer; M. Müller; A. Niesche; M. de la Fuente; A. Komadinic;
K. Radermacher:
Modular design of a miniaturized surgical robot system
Biomed Tech (Berl), Vol. 57, pp. 261-268, 2012
»» Ibach, Bastian; Benzko, Julia; Schlichting, Stefan; Zimolong, Andreas;
Radermacher, Klaus:
Integrating medical devices in the operating room using service-oriented
architectures.
»» Follmann, Axel; Korff, Alexander; Fuertjes, Tobias; Kunze, Sandra C.;
Schmieder, Kirsten; Radermacher, Klaus.:
A Novel Concept for Smart Trepanation
Journal of Craniofacial Surgery, Vol. 23, pp. 309-314, 2012
»» Fieten, Lorenz; Dupraz, Ingrid; Reising, Kilian; Helwig, Peter; Heger,
Stefan; Blömer, Wilhelm; Radermacher, Klaus:
Ultrasound-based registration of the pelvic coordinate system in the lateral
position using symmetry for total hip replacement.
159
Lehrstuhl
und Institut
für Leichtbau
Hans-Günther Reimerdes
»» Stabilitätsverhalten von Schalenstrukturen
»» Rechenmethoden für Strukturen aus Faserverbundwerkstoffen
»» Crash- und Impaktverhalten
»» Schadens- und Delaminationsverhalten
»» Dämpfungsverhalten von Leichtbaustrukturen
»» Entwicklung von numerischen Idealisierungen mit reduzierter Anzahl
von Freiheitsgraden durch weitgehend analytische Lösungsansätze
»» Optimierung von Strukturen
»» Aeroelastizität/Aerothermoelastizität von Luft- und Raumfahrtstrukturen
»» Schutz von Raumfahrzeugen gegen Einschläge von Weltraumtrümmern
ILB - Lehrstuhl und Institut für Leichtbau
Wüllnerstraße 7
52062 Aachen
Tel.: +49 241/80-96830
Fax: +49 241/80-92230
[email protected]
www.ilb.rwth-aachen.de
Verkehrstechnik (Luft- und Raumfahrttechnik)
»» Schwerpunkte
Statik, Festigkeit, Stabilität und Dynamik von Leichtbaustrukturen
(Analyse, Numerik und Experiment)
»» Personal
160
»» iBOSS-1 / iBOSS-2 – BMWI-Projekt
Intelligenter Baukasten für das On Orbit Servicing
»» DAEDALOS- EU-Projekt
Dynamics in Aircraft Engineering Design and Analysis for Light Optimized
Structures
Ziel des iBOSS-Projektes ist die Entwicklung und Auslegung eines Baukastens für modulare Satellitensysteme mit beliebigen Missionsszenarien. Der
modulare Aufbau ermöglicht die Wartung sowie die Rekonfiguration des
Gesamtsystems durch robotische Service-Satelliten im Orbit.
Im Rahmen des europäischen DAEDALOS-Projektes wird im Hinblick auf
einen optimierten Flugzeugentwurf die Auswirkung dynamischer Lasten auf
diverse Flugzeugstrukturen numerisch und experimentell untersucht. Von
besonderem Interesse ist dabei die Ermittlung der von der Flugzeugstruktur
dissipierten mechanischen Energie. Aufgabe des Instituts für Leichtbau (ilb)
ist es, Versuche durchzuführen, bei denen die Dämpfungseigenschaften
von Aluminium und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) bestimmt
werden. Zugleich sind Versuche auf Komponentenebene vorgesehen, bei
denen die Dämpfungseigenschaften von versteiften CFK-Platten unter steigender Druckbelastung im ausgebeulten Zustand in einer experimentellen
Modalanalyse untersucht werden.
Wesentlicher Bestandteil der Arbeiten am ilb ist die Ausarbeitung eines geeigneten Strukturkonzepts sowie die Entwicklung von Schnittstellen, die die
robotische Manipulation zulassen.
iBOSS Strukturkonzept
Im Jahr 2012 wurde iBOSS-1 mit einem Proof-of-Concept-Demonstrator
abgeschlossen. Dabei wurden die Schlüsseltechnologien des am ilb entwickelten Strukturkonzeptes gezeigt. Würfelförmige Bausteine beherbergen
die einzelnen Satellitensysteme und bilden die Tragstruktur des Satelliten. Mechanische Schnittstellenelemente gewährleisten die zuverlässige Lastübertragung während der kritischen Startphase und ermöglichen
gleichzeitig die Rekonfiguration und Wartung im Orbit.
Im Berichtzeitraum wurde der Antrag zur Fortführung des entwickelten Konzeptes in einem Folgeprojekt gestellt und bewilligt. Das seit Oktober 2012
laufende iBOSS-2-Projekt zielt dabei auf die Erhöhung der Technologiereifegrade der Schlüsseltechnologien des Konzepts ab
Im Laufe des Jahres 2012 wurden am ilb dynamische Zugversuche an Aluminum- und CFK-Proben durchgeführt. Die Proben wurden dabei zyklisch
belastet und die in den Proben dissipierte Energie wurde in Abhängigkeit
der Parameter Anregungsfrequenz, Vorspannung und Spannungsamplitude gemessen. Im Fall der CFK-Proben wurden die Versuche für unterschiedliche Laminataufbauten durchgeführt. Es zeigte sich, dass die dissipierte Energie pro Volumen bei gleichem Faser- und Matrixwerkstoff höher
für ein Laminat mit Gewebelagen als für eines mit nur unidirektionalen
Lagen ist. Im Vergleich zu Aluminium zeigten die untersuchten Laminate
leicht kleinere Dämpfungswerte.
Für die versteiften CFK-Platten wurden zunächst das Beulverhalten und
die modalen Parameter Eigenfrequenz und Eigenschwingungsform mit der
Methode der Finiten Elemente vorhergesagt. Zur Durchführung der Experimente wurde ein Prüfstand entwickelt und gefertigt. Ergebnisse von ersten
Tests (siehe Abbildung) zeigen gute Übereinstimmung mit numerischer
Berechnung bezüglich der statischen Beullast der versteiften CFK-Platten.
Vergleich des sich im Versuch ergebenden Beulmusters (links) mit dem
vorhergesagten Beulmuster (rechts) der versteiften CFK-Platte nach dem
statischen Beultest
161
»» DESICOS - EU-Projekt
New Robust Design Guideline for Imperfection Sensitive Composite
Launcher Structures
Im Rahmen des europäischen Projektes DESICOS sollen neue Richtlinien
zur strukturellen Auslegung von Trägerrakten wie der Ariane V entwickelt
werden. Trägerraketen bestehen aus versteiften und unversteiften Schalenstrukturen, die während des Startvorganges durch Axialdruck belastest werden. Diese Strukturen sind dünnwandig und versagen folglich auf
Grund von strukturellem Stabilitätsversagen. Da Schalenstrukturen anfällig
gegenüber Imperfektionen sind, werden diese bereits bei der Vorauslegung durch die Anwendung empirischer Abminderungsfaktoren, die in den
1960er Jahren entwickelt wurden, berücksichtigt. Auf Grund des technologischen Fortschrittes, ist es fraglich, ob die o.g. Abminderungsfaktoren tatsächlich zu repräsentativen Beullasten heutiger Schalenstrukturen führen.
Um eine zu konservative Auslegung zu vermeiden, soll eine neue Richtlinie
entwickelt werden, die es erlaubt die Imperfektionsempfindlichkeit heutiger
Schalenstrukturen zu erfassen um vergleichsweise leichtere und günstigere Schalenstrukturen herstellen zu können.
Im Laufe des Jahres 2012 wurden am Institut für Leichtbau für unversteifte
Schalen untersucht, wie sich ein in jüngster Zeit entwickelter Ansatz, der
Single Perturbation Load Approach, zur Erfassung der Imperfektionsempfindlichkeit der Schalen eignet. Hierbei wird angenommen, dass eine radiale konzentrierte Störlast, die ungünstigste Imperfektion darstellt und damit
einen sinnvollen Abminderungsfaktor liefert. Hierzu wurden Analysen mit
der Finiten Elementen Methode durchgeführt (siehe Abbildung).
Die erzielten Ergebnisse wurden mit denen aus einem klassischen, für
analytische Verfahren geeigneten Ansatz verglichen, der achsensymmetrischen Imperfektionen mit variierender Amplitude annimmt. Durch den
Vergleich der Ergebnisse für unterschiedliche Schalengeometrien mit Versuchsergebnissen, die in der Literatur veröffentlicht wurden, zeigte sich,
dass der neue Ansatz mit der Störlast nicht geeignet ist, bei unversteiften
dünnwandigen Schalen, die Imperfektionsempfindlichkeit zu beschreiben.
Kreiszylinderschale belastet mit einer radialen Störlast
a. unterkritische axiale Belastung,
b. kritische axiale Belastung,
c. überkritische axiale Belastung
162
»» Adomeit, A., Lakshmanan, M., Seefeldt, P., Reimerdes, H.-G., Weise,
J., Dornburg, L., Briess, K.:
Structures for modular and serviceable spacecraft systems.
In proceedings: 12th European Conference on Space Structures, Materials & Environmental Testing, Noordwijk, The Netherlands, ESA SP-691,
2012
»» Quatmann, M., Nölke, D., Reimerdes, H.-G.:
Optimization of an omega-stringer stiffened cylindrical shell structure.
In proceedings: 12th European Conference on Space Strucutres, Materials & Environmental Testing, Noordwijk, The Netherlands, ESA SP-691,
2012
»» Quatmann, M., Chaves Vargas, M., Lakshmanan, M., Reimerdes,
H.-G.:
Prediction of the crippling load of omega-stringer stiffened composite
shells.
Proceedings of ECCM15 - 15th European Conference on Composite
Materials, Venice, Italy, 2012
»» Klaus, M., Reimerdes, H.-G., Gupta, N.K.:
Experimental and numerical investigations of residual strength after
impact of sandwich panels.
International Journal of Impact Engineering 44, 2012, pp. 50-58
»» Quatmann, M., Reimerdes, H.-G.:
Computationally efficient analysis of the postbuckling behaviour of stiffened fuselage sections.
Proceedings of 53rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural
Dynamics, and Materials Conference, Honolulu, USA, 2012
163
Institut für
SchweiSStechnik
und Fügetechnik
Uwe Reisgen
ISF - Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der
Pontstraße 49
52062 Aachen
Tel.: +49 241/80-93871
Fax: +49 241/80-92170
[email protected]
www.isf.rwth-aachen.de
Maschinenbau, Materialwissenschaften, Wirtschaftsingenieurwesen,
Lehramt, Elektrotechnik
»» Schwerpunkte
Fügetechnik, Strahl-, Lichtbogen-, Widerstandsschweißen, Klebtechnik,
Löten, Automatisierung, Sensorik, Prozesssimulation, Prüftechnik,
Arbeits- und Umweltschutz
»» Personal
Das Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen
University befaßt sich seit fast 60 Jahren mit modernen Schweiß- und
Fügetechnologien. Bearbeitet werden nahezu alle industriell relevanten,
stoffschlüssigen Fügeverfahren. Dazu gehören die Lichtbogenschweißverfahren mit ihren modernen Prozessvarianten, das gesamte Spektrum
der Elektronen- und Laserstrahlschweißverfahren, Widerstands- und Reibschweißprozesse sowie die Klebtechnik und, in Kooperation mit dem FZ
Jülich, das Löten und Diffusionsschweißen. Begleitend werden Arbeiten
zur schweißtechnischen Verarbeitung moderner Werkstoffe, zur Automatisierung und Mechanisierung, zur Prozesssimulation sowie zum Arbeitsund Umweltschutz durchgeführt. Schwerpunkte sind neben grundlegenden
Prozess- und Verfahrensanalysen auf den genannten Gebieten vor allem
die applikationsorientierte Umsetzung der daraus gewonnenen Erkenntnisse in die Neu- und Weiterentwicklung von Fügetechnologien für innovative
Werkstoffe und Konstruktionen. Zusätzlich nehmen direkte Industriekooperationen, die von kleineren Einzelprojekten bis hin zu langfristigen Entwicklungskooperationen reichen, breiten Raum in der wissenschaftlichen Arbeit
ein. Dank der großen Bandbreite fügetechnischer Kompetenzen kann für
nahezu jede fügetechnische Problemstellung eine zielführende Lösung
erarbeitet werden.
Die Servicebereiche chemische Analytik und Metallographie sowie eine
umfangreiche Werkstoffprüfung werden für die Projektarbeit gnutzt und als
Dienstleistung angeboten.
Bearbeitet werden zur Zeit unter anderem werkstoffkundliche, verfahrensund simulationstechnische Fragestellungen aus dem Anlagen- und Behälterbau, der Automobiltechnik, dem Schiffbau, dem Maschinenbau, dem
Bauwesen sowie der Elektro- und Elektronikindustrie.
164
»» Ziel II NRW
JoinZinc Energiearmes thermisches Fügen mit Zink- und Zinnbasislot für
den Einsatz im Fahrzeugbau
»» DFG
Simulationsunterstützte Erstellung eines erweiterten Prozessmodells für
das Unterpulverschweißen durch Kombination indirekter und direkter
Erfassung von Schweißbadgeometrie und –dynamik
Im Fahrzeugbau werden moderne Leichtbaukonzepte durch Kombination
der Vorteile verschiedener Werkstoffe wie Stahl, Aluminium und Magnesium in einem Bauteil umgesetzt und so im Karosseriebau Gewichtseinsparungen bis zu 40 % realisiert.
Beim Schweißen von Hybridverbindungen aus unterschiedlichen Werkstoffen mit dem Kostengünstigen und zuverlässigen MSG-Verfahren treten jedoch metallurgische, physikalische und mechanische Probleme auf. Diese
können durch einen energiearmen Lichtbogenprozess mit einem niedrigschmelzenden Lotwerkstoff weitestgehend vermieden werden.
Ziel dieses Projektes ist es, den energiearmen MSG-Prozess mit Zink- und
Zinnbasislot für den Einsatz im Fahrzeugbau weiterzuentwickeln. Der Fokus auf einen konkreten Einsatzfall ermöglicht es, den Schweißprozess auf
diesen Einsatz zu optimieren und Schweißstrategien dafür zu erarbeiten,
die der Fahrzeugbau im Anschluss an das Projekt sukzessive in die Produktion einführen kann
Trotz der großen industriellen Relevanz des Unterpulverschweißverfahrens
gibt es hierfür bisher kein befriedigendes physikalisch basiertes Modell für
die Simulation von Temperaturfelds und der Schweißbadgeometrie. Es fehlen dazu sowohl Untersuchungen über die Schweißbadausbildung und den
Einfluss verschiedener Schweißparameter auf diese, als auch die Modellierung der Strömungsvorgänge im Schweißbad inklusive thermischer und
elektromagnetischer Effekte.
In diesem Projekt wird durch Kombination von indirekten Methoden, wie
z.B. dem Ausblasen der Schmelze im Prozess, und direkten Methoden,
wie der röntgenographischen Visualisierung der Schweißprozesszone eine
umfassende systematische Untersuchung der Schweißbadausbildung und
der Schweißbaddynamik durchgeführt. Die bei den experimentellen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse werden zur Modellierung der Strömungsvorgänge im Schweißbad und darauf aufbauend zur simulationsgestützten Erstellung eines erweiterten Prozessmodells genutzt welches
gleichzeitig die Basis für eine grundlegend verbesserte und durchgängige
Simulation von Gefügeentstehung, Eigenspannung und Verzug beim Unterpulverschweißen bildet.
MSG-Löten mit Zinkbasislot - Versagen im Grundwerkstoff
Erfassung der Schweißbadgeometrie beim UP-Schweißen - Ausblasvorrichtung und Schmelzbadabdruck
»» AIF
Qualifizierung des Elektronenstrahlschweißens im Dickblechbereich für
Anwendungen im Windenergieanlagenbau
»» AIF
Neues Bewertungskonzept zur Abschätzung der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Schweißverbindungen höchstfester Feinkornbaustähle aus dem Temperatur-Zeit-Verlauf
In Hinblick auf den Aufbau einer nachhaltigen Energieversorgung hat sich
die Bundesregierung zum Ziel gesetzt, den Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung zu erhöhen. Dabei konzentriert sich die künftige Entwicklung auf die Nutzung von Windenergie auf dem Meer (OffshoreWindenergie) sowie die Produktion von Strom aus Solarenergie, Biomasse
und Geothermie. Bei der Windenergie ist eine Neuschaffung von Windenergieanlagen (WEA) bis zum Jahr 2030 mit einer kumulierten Leistung von über
30.000 MW geplant. Die Gründungs- und Tragwerke sind großen statischen,
dynamischen und zyklischen Belastungen ausgesetzt und werden deshalb
als schwere Strukturen mit einem Materialgewicht von bis zu 900 t mit bis zu
1230 m Schweißnähten ausgebildet. Dieses Ziel ist jedoch vermutlich nur
zu erreichen, wenn wirtschaftlichere und schnellere Schweißverfahren zum
Einsatz kommen können. Ziel dieses Vorhabens ist es, das EB-Schweißverfahren für die Errichtung von Off-Shore WEA-Parks zu qualifizieren.
Ziel des Projektes ist es, das bekannte und für ferritische Stähle eingeführte t8/5-Konzept wissenschaftlich fundiert zu erweitern. Das neue bzw.
erweiterte Konzept soll auch für umwandlungsfähige Stähle mit etwas höheren Legierungsgehalten und TM-Behandlungen, wie sie bei hoch- und
höherfesten Feinkornbaustählen zum Einsatz kommen, anwendbar sein.
Des Weiteren soll es auch die zur Verarbeitung dieser Werkstoffgruppe eingesetzten, häufig stärker legierten, Zusatzwerkstoffe einschließen, dabei
jedoch auch für geringer legierte ferritsche Stähle nutzbar bleiben. Der Nutzen ergibt sich aus der Verfügbarkeit einer zuverlässigen Charakterisierung
der durch den Schweißprozess und Wärmeführungsmaßnahmen einzustellenden Bedingungen, die eine werkstoffgerechte und die Eigenschaften
erhaltende Verarbeitung von hoch- und höchstfesten Stählen erlaubt. Den
Anwendern dieser Werkstoffe soll so ein auf die Praxis zugeschnittenes,
einfaches Anwendungs- bzw. Berechnungsschema für die Bestimmung
von Schweißparametern und damit zusammenhängenden mechanischtechnologischen Eigenschaften an die Hand gegeben werden.
165
»» Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Ufer, Sebastian; Bleck, Wolfgang;
Münstermann, S.; Golisch, G.:
Qualification of electron beam welding in the thick-plate range for applications in wind energy plant construction
International Electron Beam Welding Conference, 2nd IEBW Conference,
Aachen, March 26-30, 2012. DVS-Berichte, Band 285; pp. 142 - 147,
DVS Media, Düsseldorf
»» Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Jakobs, Stefan:
A comparison of electron beam welding with laser beam welding in
vacuum
International Electron Beam Welding Conference, 2nd IEBW Conference,
Aachen, March 26-30, 2012. DVS-Berichte, Band 285; pp. 119 - 127,
DVS Media
»» Reisgen, Uwe; Schleser, Markus; Mokrov, Oleg; Ahmed, Essam:
Optimization of laser welding of DP/TRIP steel sheets using statistical
approach
Optics & Laser Technology 44 (2012), pp. 255-262, Elsevier, Oxford, UK
»» Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Mavany, Michael; Turner, Christoph;
Dilger, Klaus; Frauenhofer, Michael; Weber, Marcus:
Thermisches Fügen von komplexen Bauteilen aus oberflächenveredelten
Blechwerkstoffen im Überlappstoß unter Verwendung von Haftklebstoffen
Schweißen und Schneiden, 64, 2012, 7, pp. 398 - 405,
DVS Media, Düsseldorf
»» Reisgen, Uwe; Beckers, Marion; Buchholz, Guido; Willms, Konrad:
Progress towards model based optimisation of gas metal arc welding
processes
Welding in the World, 2012, Vol. 56, 9/10, pp. 35 - 40, IIW Paris
166
Angewandtes
Supercomputing im
Maschinenbau
Die Arbeitsgruppe Angewandtes Höchstleistungsrechnen im Maschinenbau beschäftigt sich hauptsächlich mit der Simulation großer technischer
Anwendungen, insbesondere im Bereich Strömungsmechanik und mit
Strömungsmechanik gekoppelter Multi-Physik- und Mehr-Skalen-Anwendungen.
Der Schwerpunkt liegt auf komplexen Simulationen und deren effiziente
Umsetzung in Rechenprogramme. Dies erfordert die gesamte Prozesskette von der numerischen Entwicklung (Mathematik), der effizienten Implementierung (Informatik) bis hin zur Produktion (Maschinenbau).
Die Anwendungen entstammen dabei überwiegend Fragestellungen der
Projektpartner aus Industrie oder Medizin aus realen industriellen Aufgabenstellungen. Um diese realen Situationen simulieren zu können, ist der
Einsatz von Höchstleistungsrechnern erforderlich. Aus diesem Grund liegt
ein Fokus der Arbeitsgruppe, neben der Modellierung und Analyse von physikalischen Phänomenen, auch auf der effizienten Umsetzung von Algorithmen auf Supercomputern. Der interdisziplinäre Forschungsansatz der
Gruppe zeigt sich in der Zusammenarbeit mit Partnern aus den Bereichen
Mathematik, Maschinenbau und Informatik sowie mehreren europäischen
Supercomputing-Zentren.
Simulationen dieser Art sind selbst auf modernsten Supercomputern sehr
rechenzeitintensiv. Daher müssen sowohl die numerischen Algorithmen
als auch deren Implementierung höchst effizient und optimiert sein. Die
Gruppe entwickelt das Softwarepaket APES (Adaptable Poly-Engineering
Simulator), eine Toolbox für Simulationen von CFD+X. Darin enthalten
sind numerische Methoden für kompressible und nicht kompressible Strömungen, Maxwell-Gleichungen und Akustik, das auf bis zu 100.000 Prozessen effizient skaliert. Die Simulationsmethoden umfassen Verfahren
für breite Anwendungsbereiche ebenso wie spezialisierte Verfahren für
Detailaufgaben. Die Grundlagen bilden gitterbasierte Methoden wie Finite
Volumen-Verfahren (FV), Diskontino Galerkin-Verfahren (DG) und Lattice
Boltzmann-Verfahren (LB).
Univ.-Prof. Dr.-Ing
Sabine Roller
GRS.ASE - Angewandtes Supercomputing im Maschinenbau
German Research School for Simulation Sciences
Schinkelstr. 2A
52062 Aachen
Tel.: +49 241/80-99748
Fax: +49 241/80-92742
[email protected]
www.grs-sim.de/engineering
Simulation Sciences (SiSc)
»» Schwerpunkte
Simulation großer technischer Systeme, Strömungsmechanik für kompressible und inkompressible Strömungen, Multi-Scale / Multi-Physics
Simulationen, Numerische Methoden, High Performance Computing
»» Personal
167
»» THROMBUS
A Quantitive Model of Thrombosis in Intracranial Aneurysms.
Virtual Physiological Human. (gefördert durch die EU, 2011 – 2014)
»» HISEEM
Hocheffiziente integrierte Simulation von Elektromembranverfahren zur
Entsalzung von Meerwasser (gefördert durch das BMBF, 2011-2014)
Das Kernziel dieses Projektes ist, ein biologisches Modell von spontan auftretender oder Stent-induzierter Thrombose in intrakranialen Aneurysmen
zu entwickeln und zu bewerten. Das Projekt wird eine Mehr-Skalen–Modellierungs- und Simulationsumgebung entwickeln, um einen quantitativen
Stent-Effizienzwert zu berechnen, der sich durch die Fähigkeit auszeichnet,
Blutgerinnung in Aneurysmen zu verursachen. Die Ergebnisse sollen Medizinern bei der Wahl des passenden Stents in Bezug auf Art, Anzahl und
Position unterstützen und somit helfen, das Risiko einer potentiell tödlichen
Ruptur des Aneurysmas, insbesondere bei intrakranialen Aneurysmen, zu
minimieren. GRS.ASE kollaboriert hierbei mit acht weiteren europäischen
Universitäten, Firmen und Krankenhäusern aus Frankreich, Belgien der
Schweiz und den Niederlanden.
Um dem Mangel an Trinkwasser in vielen Teilen der Erde entgegenzuwirken, sind effizientere Prozesse zur Meerwasser-Entsalzung erforderlich.
In Elektromembranverfahren werden die selektiven Eigenschaften von
Ionenaustauscher-Membranen genutzt, um eine Trennung positiv und negativ geladener Ionen einer Elektrolytlösung in einem elektrischen Feld zu
ermöglichen.
Die Membranen sind mechanisch durch eine komplexe Spacer-Struktur
getrennt.
Zeitliche Entwicklung der Blutgerinnung in einem Aneurisma mit
eingesetztem Stent
Die Gerinnung von Blut wird sowohl von physikalischen Eigenschaften der
Blutströmung wie der Scherrate und dem Transport von Blutzellen und
Gerinnungsfaktoren, als auch von biologischen Prozessen, wie der Gerinnungskaskade und der Aktivierung von Thrombozyten beeinflusst. Zentral
für die Entwicklung des Modells ist das Finden von effizienten Algorithmen
für die gekoppelte Simulation der komplexen Prozesse.
Das Zusammenwirken von elektro-magnetischen Feldern, komplexer Hydrodynamik in den Kanälen des Membranmoduls und diffusivem Stofftransport in der wässrigen Elektrolytlösung soll numerisch untersucht werden.
Ziel ist die Simulation eines kompletten Systems, wie es in Industrieanlagen
zum Einsatz kommt. Hierfür werden effiziente Algorithmen zur integrierten
Simulation von Multi-Physik Anwendungen für heterogene HPC-Systeme
entwickelt und in das Softwarepaket APES integriert.
In einem ersten Schritt wurde die Durchströmung der Spacer-Struktur mit
über 15 Million Gitterpunkten auf 500 Cores erfolgreich simuliert. Derzeit
wird der auf dem Lattice Boltzmann Verfahren basierende Strömungslöser um Komponenten zum konvektiven und diffusivem Stofftransport einer
wässrigen Elektrolytlösung weiterentwickelt. Der Ionentransport durch die
Membran sowie die elektrodynamischen Kräfte werden mit einem Discontinuous Galerkin Löser aus dem APES-Paket simuliert. Die Kopplung der
Komponenten wird wesentlich dadurch vereinfacht, dass beide Löser auf
derselben Datenstruktur aufbauen.
Salzionen Konzentration bei der Umströmung der Spacer-Struktur mit
Meerwasser
Für erste Berechnungen einer Blutströmung durch ein patienten-spezifisches Aneurysma ohne Stent wurde auf 64 Cores ein Gitter von 5 Millionen
Elementen gewählt. In einem zweiten Schritt wurde das Aneurysma mit
Stent simuliert. Die erforderliche Anzahl der Elemente des Gitters war mit
23 Millionen fast fünfmal größer als im vorherigen Fall. Für die weiteren
Simulationen wird die Komplexität des Lösers bis hin zum kompletten biologischen Modell schrittweise erhöht.
168
»» J. Gracia, C. Niethammer, M. Hasert, S. Brinkmann, R. Keller, C.W.
Glass:
Hybrid MPI/StarSs - A case study,
Proceedings of the 2012 10th IEEE International Symposi-um on Parallel
and Distributed Processing with Applications, ISPA 2012, pp 48–55
»» Harald G. Klimach, Manuel Hasert, Jens Zudrop, Sabine P. Roller:
Distributed Octree Mesh Infrastructure for Flow Simulations.
ECCOMAS 2012 - European Congress on Computational Methods in
Applied Sciences and Engineering, J. Eberhardsteiner (ed): e-Book Full
Papers, Vienna, Austria.
»» M. Hasert, H. Klimach, J. Bernsdorf, S. Roller:
Aeroacoustic Validation of the Lattice Boltzmann Method on Non-Uniform
Grids,
ECCOMAS 2012, J. Eberhardsteiner (ed), pp 2376–2393
»» J. Zudrop, H. Klimach, M. Hasert, K. Masilamani, S. Roller:
A fully distributed CFD framework for massively parallel systems.
In: Cray User Group 2012, Stuttgart, Germany
»» K. Masilamani, J. Zudrop, K. Ibrahim, M. Johannink, H. Klimach, J.
Bernsdorf, A. Mhamdi, E.M. Fernandez Sanchis, A. Hauser, W. Marquardt,
S. Roller:
Large scale flow simulation with complex spacer geometry in electrodialysis for sea water desalination,
Proceedings of the European Congress on Computational Methods in
Applied Sciences and Engineering ECCOMAS 2012
169
Lehrstuhl und
Institut für
Arbeitswissenschaft
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing.
Christopher Marc Schlick
IAW - Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft
Bergdriesch 27
52056 Aachen
Tel.: +49 241/80-99480
Fax: +49 241/80-92131
[email protected]
www.iaw.rwth-aachen.de
Produktionstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen, Lehramt für Berufkollegs,
Fachdidaktik im Maschinenbau
Forschungsschwerpunkte des Instituts für Arbeitswissenschaft sind die
Gestaltung und Optimierung von Arbeitssystemen und Arbeitsprozessen in
Entwicklung, Produktion und Service. Diese Forschungsaufgaben werden
mit einem Team von Ingenieuren, Wirtschaftsingenieuren, Informatikern
und Sozialwissenschaftlern erfüllt.
Auf Basis einer innovativen, ergonomischen Mensch-Maschine-Interaktion
fördern wir Kreativität, Kompetenz, Fähigkeiten und Fertigkeiten des Menschen in komplexen Wertschöpfungsprozessen, mit dem Ziel, Arbeitsorganisation, Arbeitsbedingungen und Arbeitsergebnisse zu optimieren. Hierzu
werden im Forschungszusammenhang vor allem Verfahren zur Modellbildung und Simulation eingesetzt.
Gemeinsam mit öffentlichen Forschungsförderern und unseren Kunden
aus der Industrie setzen wir dieses Ziel in die Praxis um. Großunternehmen profitieren von der anwendungsorientierten Forschung ebenso wie
kleine und mittelständische Unternehmen. Die pluridisziplinäre Zusammensetzung des Instituts ermöglicht u.a. auch die Bearbeitung von dringlichen
übergreifenden Forschungsfragen im Kontext des demografischen Wandels.
»» Schwerpunkte
Ergonomie, Mensch-Maschine-Systeme. Arbeitsorganisation, Projektmanagement, Fachdidaktik Maschinenbautechnik
»» Personal
170
»» H-Mode2KFF - Von H-Mode zu einer kooperativen Fahrzeugführung
»» Entwicklung und Evaluierung kognitiver Systeme
Das Projekt H-Mode2KFF befasst sich im Rahmen einer kooperativen
Fahrzeugführung mit einem intuitiv verständlichen und multimodal ausgelegten Automations- und Interaktionskonzept für teil- und hochautomatisierte Fahrzeuge (s. Abb. 1).
Im Rahmen des DFG geförderten Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ beschäftigt sich das IAW mit der Entwicklung einer kognitiven Planungs- und Steuerungseinheit (engl. cognitive
control unit, kurz: CCU) für einen robotergestützten Montageprozess und
mit deren Einfluss auf den Menschen. Dieses kognitive System ist aufgrund
seiner besonderen Symbol- und Signalverarbeitung sowie durch die enge
Kooperation mit der Facharbeiterin bzw. dem Facharbeiter in der Lage, den
Fertigungsablauf unter sich ändernden Randbedingungen und aufgrund
unvollständiger Informationen fein zu planen und ggf. hinsichtlich vorgegebener fertigungstechnischer Kriterien situativ zu optimieren. Um kognitive
Funktionen der Steuerung zu simulieren, wurde die kognitive Architektur
SOAR (State, Operator Apply Result) ausgewählt, deren interne Wissensbasis in Form von Produktionsregeln aufgebaut ist. SOAR ist in der Lage,
bis zu einem gewissen Grad regelbasierte Entscheidungen des Menschen
zu simulieren und sich ständig wiederholende, eintönige Tätigkeiten zu
übernehmen. Zur Gestaltung der Prozesslogik im Hinblick auf Montageroboter wurden elementare Bestandteile der MTM-1-Taxonomie verwendet.
In rechnergestützten Versuchsreihen konnte gezeigt werden, dass das
System zu validen und reliablen Ergebnissen im Sinne eines vollständigen,
fehlerfreien und zielgerichteten Aufbaus kommt.
Abb. 1: Automationsskala
Ausgangspunkt des Projektes war die als H(orse)-Metapher beschriebene Einsicht, dass es zwischen assistiertem und autonomem Fahren einen
verbindenden Mittelweg geben könnte, der Assistenz mit teil- und hochautomatisierten Konzepten im Sinn der Ergonomie flexibel kombiniert. Bei
diesem Ansatz verfügt das technische Untersystem über eine hohe Wahrnehmungs- und Handlungsfähigkeit. Jedoch bleibt im Gegensatz zu autonomen Fahrzeugen der Fahrer zu wechselnden Anteilen weiter sinnvoll
in die Fahraufgabe eingebunden, ähnlich einer Rollenverteilung zwischen
Reiter und Pferd. Der essentielle Aspekt von H-Mode besteht darin, dass
Fahrer und Automation zunehmend als Kooperationspartner auftreten, die
ihre Rollen und Kompetenzen innerhalb der Aufgabe Fahrzeugführung dynamisch verteilen (siehe Abb. 2). Die Grundlage dafür bildet eine haptische
Kommunikation zwischen Fahrer und Automation. Diese wird durch aktiv
ansteuerbare Nutzerschnittstellen realisiert, wobei sowohl traditionelle Interaktionselemente (Lenkrad/Gaspedal) berücksichtigt, als auch innovative
Eingabekonzepte (Sidestick und Yoke) auf ihre Anwendbarkeit im Kontext
der kooperativen Fahrzeugführung überprüft werden. Ergänzend zur haptischen Kommunikation erfolgt über Anzeigen – wie z.B. ein kontaktanaloges Head-Up Display – eine visuelle Rückmeldung von Systemzustand
und -absicht. Dadurch werden die Nutzerakzeptanz und das Systemverständnis erhöht, die Erkennbarkeit von Systemfehlern und Systemgrenzen
erleichtert, sowie die Reaktion auf Systemausfälle verbessert. Mit diesem
umfassenden Interaktionskonzept kann sowohl die Aufgabe des Fahrers
bei einer Teilautomation erleichtert, wie auch Übernahmen durch den Fahrer aus der hochautomatisierten Fahrt entschärft werden.
Abb. 2: Schaubild
Im Hinblick auf eine Überwachungsaufgabe durch den Menschen jedoch
erscheinen die Ergebnisse unzulänglich, da sie aufgrund der hohen prozeduralen Varianz nicht kompatibel mit der menschlichen Erwartungshaltung
sein können. Daher wurden im Rahmen von empirischen Untersuchungen
Montageheuristiken erhoben und validiert mit dem Ziel, diese Heuristiken
als Regeln zur Erweiterung der Prozesslogik des kognitiven Simulationsmodells zu verwenden.
In einer Laborstudie konnten positive Effekte der Integration dieser Montageheuristiken nachgewiesen werden. Ausgehend von einer beobachteten,
fünf Schritte umfassenden Montagesequenz eines Roboters und dem bekannten Zielzustand, bestand die Aufgabe für den Operateur darin, eine
Prädiktion des nächsten erwarteten Schrittes vorzunehmen. Die Untersuchungen zeigten, dass ein Trend zu kürzeren Zeiten für die Dauer der
Prädiktion beobachtet werde konnte. Weiter konnte ein positiver Einfluss
auf die subjektive Einschätzung der Zufriedenheit mit der Ausführung der
Aufgabe erzielt werden.
Abb. 3: Versuchsaufbau
171
»» Schlick, C.; Schneider, S.; Duckwitz, S.:
Modelling of cooperative work in concurrent engineering projects based
on extended work transformation matrices with hidden state variables,
In: Proceedings of the 14th International DSM Conference, Kyoto,
Japan, 13-14 September 2012, Hrsg.: Onishi, M.; Maurer, M.; Kirner, K.;
Lindemann, U., Carl Hanser, München 2012, ISBN 978-3-446-43354-0, S.
411-422
»» Flemisch, F.; Meier, S.; Baltzer, M.; Altendorf, E.; Heesen, M.; Griesche, S.; Weißgerber, T.; Kienle, M.; Damböck, D.;
Fortschrittliches Anzeige- und Interaktionskonzept für die kooperative
Führung hochautomatisierter Fahrzeuge:
Ausgewählte Ergebnisse mit H-Mode 2D 1.0; 54. Fachausschusssitzung
Anthropotechnik: Fortschrittliche Anzeigesysteme für die Fahrzeug- und
Prozessführung; Koblenz, 2012
»» Schlick, C.; Winkelholz, C.; Ziefle, M.; Mertens, A.:
Visual Displays,
In: The Human-Computer Interaction Handbook, Hrsg.: Jacko, J., CRC
Press, Boca Raton, FL 2012, ISBN 978-1-4398-2943-1, S. 157-191
»» Mayer, M.; Odenthal, B.; Faber, M.; Schlick, C.:
Cognitively automated assembly processes: a simulation based evaluation of performance,
In: Work: A Journal of Prevention, Assessment and Rehabilitation - IEA
2012: 18th World congress on Ergonomics - Designing a sustainable
future, Hrsg.: Soares, M.; Jacobs, K., Amsterdam, 41 (2012) Supplement
1, ISSN 1051-9815 (print), 1875-9270 (online), S. 3449-3454
»» Schlick, C.; Duckwitz, S.; Schneider, S.:
Project dynamics and emergent complexity,
In: Computational and Mathematical Organization Theory, Springer,
Aachen 2012, ISSN 1381-298X, S. 1-38
172
Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und
Qualitätsmanagement
Die Arbeitsfelder des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement adressieren die qualitätsorientierte Gestaltung und
Unterstützung aller Phasen eines Produktlebenszyklus: Von der Idee
in der Entwicklung über die Produktion zum After Sales und Kunden und zurück. Sowohl die methodischen, organisatorischen als
auch die strategischen Aspekte sind Gegenstand unserer Arbeiten.
Ein agiles Qualitätsmanangement erlaubt die Leistungserbringung von Unternehmen auch im turbulenten Umfeld. Qualität als Grundhaltung umfasst
Philosophie und praktizierte Umsetzung von Führungsprinzipien und quantitativen Methoden mit den zugehörigen Techniken zur Gestaltung serviceorientierter oder technischer Prozessabläufe. Stellhebel sind der Innovationsgrad von Produkten, der Markenwert sowie eine bewusste Entwicklung
der wahrgenommenen Qualität eines Produktes.
Die Gestaltung effizienter, robuster und synchroner Prozesse gelingt auf
der Grundlage verlässlicher Informationen. Die Aufgabe der Messtechnik
besteht darin, möglichst nahe am oder im Prozess die kritischen Merkmale
am Werkstück sicher zu erfassen, ums so schnell wie möglich Informationen über Veränderungen bereitzustellen und Qualitätsregelkreise aufbauen zu können. Neue Technologien, neue Materialien und herausfordernde
Geometrien verlangen dabei nach innovativen Verfahren und Geräten – wir
konzentrieren uns neben dem Verständnis unterschiedlicher physikalischer
Wirkprinzipien insbesondere auf deren messtechnische Anwendung und
Integration in die Fertigung.
Im Rahmen unserer Forschungsarbeiten bieten wir Studierenden aktuelle
und attraktive Bachelor-, Projekt- und Masterarbeiten sowie die Möglichkeit, als studentische Hilfskraft aktiv in den Projekten, die wir überwiegend
zusammen mit Industriepartnern, aber auch mit Hochschulpartnern aus
China, Südafrika und Brasilien durchführen, mitzuarbeiten. Dabei stehen
neueste Messgeräte wie ein Computertomograph, Lasermesssyteme und
Koordinatenmessgeräte zur Verfügung.
Robert Schmitt
Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement
Steinbachstr. 19
52074 Aachen
Tel.: +49 241/80-27402
Fax: +49 241/80-22293
[email protected]
Maschinenbau, Produktionstechnik, Entwicklung und Konstruktion, Fahrzeugtechnik und Transport, Kunststoff- und Textiltechnik
»» Schwerpunkte
Fertigungsmesstechnik , Qualitätsmanagement
»» Personal
173
»» (QC)² - Quantifiable Closed Quality Control
Um den Herausforderungen schnell wachsender Märkte und sich verändernder Technologien zu entsprechen, ist es für Unternehmen essenziell,
sich schnell und flexibel auf externe oder interne Störungen einstellen zu
können. Geschlossene Qualitätsregelkreise sind vor diesem Hintergrund
eine wichtige Grundlage zur robusten Gestaltung von Geschäftsprozessen.
In dem Forschungsprojekt (QC)² wurden hierzu Grundprinzipien der Regelungstechnik und Kybernetik auf das Problemfeld kleiner und mittlerer
Unternehmen (KMU) übertragen. Die Ergebnisse des transnationalen
CORNET-Forschungsprojektes (QC)² liefern Unternehmen konkrete Ansätze zur effizienten Gestaltung und Verbesserung von Qualitätsregelkreisen
nach regelungstechnischen Gesichtspunkten.
In dem Projekt wurde zunächst die Struktur technischer Regelkreise auf die
Architektur unternehmerischer Geschäftsprozesse übertragen. Der Sensor
hat dabei die Aufgabe, den Prozess eines Unternehmens auf seine Zielkonformität hin zu analysieren und zu bewerten. Bei signifikanten Abweichungen oberhalb eines zu definierenden Schwellwerts löst der Sensor schließlich einen Korrekturprozess aus. Der Regler wählt in Abhängigkeit von der
Kritizität der erkannten Abweichungen Sofort- und Abstellmaßnahmen aus,
die der Qualitäts-Aktor schließlich im Prozess implementiert.
Dieses Grobmodell wurde in mehreren Schritten verfeinert und durch die
Kombination mit einer Bewertungssystematik zu einem Prozess-Assessment-Modell weiterentwickelt.
Die entwickelte Systematik wurde schließlich in Zusammenarbeit mit dem
Computer and Automation Research Institute der Hungarian Academy of
Science (MTA SZTAKI) und der Faculty of Mechanical Engineering der
Budapest University of Technology and Economics in eine Software-Anwendung, den (QC)² Loop Editor, implementiert. Die Software ermöglicht
es Unternehmen, bestehende Qualitätsregelkreise zu analysieren, Verbesserungspotenziale zu identifizieren sowie neue Qualitätsregelkreise zielorientiert zu gestalten. Um die Praxistauglichkeit der Methode zu garantieren
und einen hohen Nutzen in Unternehmen sicherzustellen, wurden die einzelnen Module gemeinsam mit den am Projekt beteiligten KMU entwickelt
und in der Praxis hinsichtlich ihre Anwendbarkeit validiert.
Die Software kann von Unternehmen kostenlos über die Internetseite
http://qc2.sztaki.hu/ heruntergeladen werden. Voraussetzung hierfür ist lediglich die kostenlose Registrierung in der (QC)² Community. Gleichzeitig
bietet die Internetseite eine Onlineplattform für den unternehmensübergreifenden Austausch von Qualitätsregelkreisen und dient dem Wissenstransfer hinsichtlich der Gestaltung ebensolcher Projekte.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing.
Henrik Glöckner
Telefon: 0241-80-20695
174
»» Stürwald, S.; Schmitt, R.:
Combination of a nano-coordinate measuring machine with a low coherent
digital holographic microscopy sensor for large scale measurements
in: SPIE Smart Nano-Micro Materials and Devices, Hrsg.: Andrews, D.;
Grote, J.SPIE Proceedings Vol 8204, SPIE Bellingham, USA/Washington
2011, ISBN 9780819488459, S. 46-54
»» Schmitt, R.; Monostori, L.; Glöckner, H.; Viharos, Z.:
Design and assessment of quality control loops for stable business
processes
in: CIRP Annals - Manufacturing Technology 61 (2012), 1, ISSN 00078506 , S. 439-444
»» Schmitt, R.; Isermann, M.; Laass, M.; Wagels, C.:
Integrative Self-optimising Process Chains
in: Integrative Production Technology for High-Wage Countries, Hrsg.:
Brecher, C., Springer Berlin 2011, ISBN 978-3-642-21066-2, S. 701-743
»» Schmitt, R.; Jatzkowski, P.; Schönberg, A.:
Navigation as a Key for Self-Optimizing Assembly Processes
in: Advances in Ergonomics in Manufacturing, Hrsg.: Trzcielinski, S.; Karwowski, W.Advances in Human Factors and Ergonomics Series 18, CRC
Press Boca Raton/ USA 2012, ISBN 978-1-4398-7039-6, S. 282-291
»» Quattelbaum, B.; Schmitt, R.:
Tolerancing subjective and uncertain customer requirements regarding
perceived product quality
in: 12th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing, 18-19 April
2012, Huddersfield, U.K., Hrsg.: Jiang, X., University Huddersfield/EPSRC
Centre for Innovative Manufacturing in Advanced Metrology Huddersfield/
UK 2012, S. 62-71
175
Lehr- und
Forschungsgebiet
Konstruktion und
Entwicklung von
Mikrosystemen
Werner Karl Schomburg
KEmikro - Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung
von Mikrosystemen
Steinbachstraße 53 B
52074 Aachen
Tel.: +49 241/80-28441
Fax: +49 241/80-44220
[email protected]
www.kemikro.rwth-aachen.de
Konstruktion, Grundlagen des Maschinenbaus, Produktionstechnik für
Mikrosysteme
»» Schwerpunkte
Konstruktion von Mikrosystemen, Mikrofertigung mit Ultraschall
KEmikro ist eine der wenigen Forschungsstätten weltweit, deren Forschungsschwerpunkt die Konstruktion von Mikrosystemen ist. Insbesondere werden Mikrosysteme entwickelt, die so preiswert gefertigt werden
können, dass sie auch in kleineren Stückzahlen und mit überschaubaren
Investitionen rentabel sein können. Damit eröffnet sich auch für mittlere
und kleine Unternehmen die Möglichkeit, Mikrosysteme zu fertigen und zu
verkaufen.
Kostengünstige Mikrosysteme können vor allem aus Kunststoffen hergestellt werden. Deshalb nehmen Mikrosysteme aus Polymeren eine zentrale
Rolle ein. Prinzipiell wird aber in jedem Fall nach dem günstigsten Weg für
die jeweilige Fertigung und Anwendung gesucht.
KEmikro ist besonders erfolgreich bei der Entwicklung von Herstellungsverfahren, bei denen mikrofluidische Systeme durch Ultraschallheißprägen
und -schweißen erzeugt werden. Diese Verfahren zeichnen sich dadurch
aus, dass die Zkluszeit nur wenige Sekunden beträgt und dass die Investitionskosten für den Aufbau einer einfachen Fertigung nur bei einigen 10.000
Euro liegen.
Die Ergebnisse der Forschung finden über die Vorlesungen „Mikrotechnische Konstruktion“, „Konstruktion von Mikrosystemen“ und „Einführung in
die Mikrosystemtechnik“ Eingang in die Lehre.
»» Personal
176
»»
Mikrosysteme
Die Herstellung von Mikrosystemen durch Ultraschall wurde weiterentwickelt, sodass jetzt neben dem Heißprägen und Schweißen mit Ultraschall
auch Mikrostrukturen mit Ultraschall genietet, gestanzt und thermogeformt
wurden. Abb.1 zeigt Schnitte durch eine 100 µm dicke Folie aus Polyetheretherketon (PEEK), die durch Thermoformen mit Ultraschall mikrostrukturiert wurde, und durch eine 600 µm dicke Folie aus Polyethylen (PE), die
durch Ultraschallheißprägen geformt wurde. Das besondere an diesen Prozessen ist, dass sie nur eine Zykluszeit von wenigen Sekunden benötigen,
obwohl alternative Fertigungsverfahren dazu mindestens einige Minuten
benötigen. Das macht die Produkte ausgesprochen preiswert. Darüber hinaus ist die Fertigung sehr flexibel, ein neues Design kann innerhalb eines
Tages erstellt und umgesetzt werden.
Abb. 1: Durch Ultraschall-Thermoformen bzw. Ultraschall-Heißprägen
mikrostrukturierte Folien
Für den Anschluss von mikrofluidischen Systemen an die Außenwelt wurden verschiedene Möglichkeiten erprobt. Sowohl elektrische als auch fluidische Anschlüsse können realisiert werden, indem entweder Kabel oder
Schläuche in Mikrogräben eingelegt werden, bevor eine Deckelfolie mit
Ultraschall aufgeschweißt wird. Das Kabel bzw. der Schlauch werden dann
dichtend mit eingeschweißt. In Abb. 2 ist eine Küvette aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) zu sehen, durch die eine elektrische Kabelverbindung führt
und in die durch einen eingeschweißten Schlauch aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ein Medium zugeführt werden kann. Darüber hinaus können
durch Deckel und Boden der Küvette hindurch optische Messungen am
Medium vorgenommen werden. In Abb. 2 sind auch Schnitte durch den eingeschweißten Schlauch und den eingeschweißten Kupferdraht zu sehen.
Außerdem können Mikrokanäle auf Polymerplättchen aufgeschweißt werden, in denen vorher Durchgangslöcher mit Gewinden angebracht wurden.
Auf diese Weise wird es möglich, Standardschlauchverbindungen zum
mikrofluidischen System herzustellen. Auch das Aufkleben von fluidischen
Anschlüssen ist möglich, wird aber gern vermieden, weil ein Klebstoff durch
die verwendeten Medien womöglich aufgelöst werden kann, während bei
eingeschweißten Verbindungen kein zusätzliches Material verwendet zu
werden braucht.
Eine weitere interessante Möglichkeit besteht darin, elektronische Schaltungen durch Ultraschallheißprägen zu fertigen. Wenn auf einer Trägerfolie
aus Polymer eine elektrisch leitfähige Schicht, z.B. aus Kupfer, aufgebracht
ist, kann durch einen einfachen Prägeschritt innerhalb einer Sekunde ein
Teil der leitfähigen Schicht in die Tiefe der Trägerfolie verlagert werden. Dadurch entstehen elektrische Leiterbahnen auf der Oberfläche der Folie. Auf
diese Leiterbahnen wird dann eine so genannte anisotrop leitfähige Folie
aufgelegt, die den elektrischen Strom nur senkrecht zu ihrer Oberfläche
leitet. In einem speziellen Werkzeug werden dann elektronische Bauelemente eingelegt und relativ zu den Leiterbahnen positioniert. Durch einen
weiteren Prägeschritt, werden die Bauelemente innerhalb einer Sekunde
üver die anisotrop leitfähige Folie mit den Leiterbahnen verbunden.
Abb. 3 zeigt eine Multivibratorschaltung, bei der nach Anlegen einer Versorgungsspannung zwei Leuchtdioden abwechseln zu blinken beginnen.
Zu dieser Schaltung gehören 5 elektrische Widerstände, 2 Leuchtdioden, 2
Kondensatoren und 2 Transistoren. Das Foto wurde gemacht, als die obere
der beiden Leuchtdioden gerade aufleuchtete
Abb. 3: Elektronische Multivibratorschaltung
Abb. 2: Mikroküvette mit elektrischen und fluidischen Zugängen (oben)
und Schnitte durch den eingeschweißten Schlauch bzw. Draht (unten)
177
»» K. Burlage, C. Gerhardy, H. Praefke, M.A. Liauw, W.K. Schomburg:
”Slug Length Monitoring in liquid-liquid Taylor-Flow integrated in a novel
PVDF Micro Channel”,
Chemical Engineering Journal 227 (2012) 111-115,
http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2012.08.070
»» C. Gerhardy, W.K. Schomburg:
”Time of flow sensor with a flow parallel wire”,
Sensors and Actuators A 186 (2012) 105-110,
http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2012.03.010
»» J. Sackmann, K. Burlage, C. Gerhardy, D. Loibl, L. Cui, W.K. Schomburg:
“Polymer Micro Fluidic Systems Fabricated by Ultrasound”,
Proc. Micro Fluidic Handling Systemes, MFHS 2012, Session E, 76-79
»» B. Memering, C. Gerhardy, W.K. Schomburg:
”Filamentary micro sensors with predetermined breaking points”, Procedia
Engineering 47 (2012) 100-103,
http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2012.09.094
»» A. Barth, C. Gerhardy, W.K. Schomburg:
”Bistable polymer micro valve with a thermo-pneumatic actuator”,
Proceedings MME 2012, C14
178
Lehrstuhl für
Strömungslehre und
Aerodynamisches
Institut
»» Subsonische, transonische, supersonische und hypersonische
Strömungen werden experimentell und numerisch untersucht
»» Aerokustik
»» biomedizinische Strömungen
»» Turbulenz und Wirbeldynamik
»» Aerolastizität
»» Motorinnenströmung
»» Algorithmen- und Messtechnikentwicklung
Wolfgang Schröder
AIA - Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut
Wüllnerstraße 5a
52062 Aachen
Tel.: +49 241/80-95410
Fax: +49 241/80-92257
[email protected]
www.aia.rwth-aachen.de
Verkehrstechnik, Energietechnik, Verfahrenstechnik, Kunststoff- und
Textiltechnik, Grundlagen des Maschinenwesens
»» Schwerpunkte
Experimentelle und numerische Strömungsmechanik der kompressiblen
und inkompressiblen Strömungen, wobei in Forschungsprojekten entwickelte Mess- und Berechnungsverfahren verwendet werden
»» Personal
179
»» Entwicklung eines zonalen RANS-LES Verfahrens
»» Numerische Analyse der dreidimensionalen turbulenten Strömung im
Brennraum von Verbrennungsmotoren
Die numerische Berechnung komplexer turbulenter Strömungsprobleme
erfordert generell eine Turbulenzmodellierung höherer Ordnung, um eine
physikalisch richtige Lösung sicherzustellen.
Die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt wesentlich von der turbulenten Strömung im Zylinder ab. Klein- und großskalige turbulente Strömungsstrukturen beeinflussen die Gemischaufbereitung des Brennstoff-Luftgemisches, interagieren mit der Flammenfront und wirken sich somit direkt auf
die Flammenoberfläche, Brenngeschwindigkeiten und die Flammenstabilität aus. Infolgedessen haben die Strömungsstrukturen, die sich während
des Ansaug- und Kompressionstaktes ausbilden, einen entscheidenden
Einfluss auf den Motorwirkungsgrad und die Schadstoffbildung. Daher ist
das Verständnis der charakteristischen Strömungsphänomene in Verbrennungsmotoren eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung verbesserter
Brennverfahren und neuartiger Kraftstoffe.
Da in zahlreichen Strömungssimulationen allerdings nur lokal mit einer erhöhten Komplexität der Strömungsphysik zu rechnen ist, kommt ein zonaler Ansatz in Frage, der die Gebiete, in denen die Strömung ausgeprägte
Gradienten aufweist, mit Hilfe einer Grobstruktursimulation (LES) simuliert und für die umliegenden Strömungsgebiete, die sich z.B. durch eine
Gleichgewichtsgrenzschicht auszeichnen, eine Reynolds-averaged Navier
Stokes (RANS) Rechnung anwendet (Abb. 1).
Abb. 1: Transonisches Strömungsfeld
Im Rahmen dieses Projektes wird ein numerisches Verfahren, das auf
unstrukturieren kartesischen Gittern besteht, zur Berechnung der Motorinnenströmung in realen Vierventil-Motoren entwickelt, wobei die Strömung
der ersten zwei Takte mittels hochaufgelöster Grobstruktursimulationen
untersucht wird (Abb. 2).
Dies erlaubt eine detaillierte Analyse der vorliegenden turbulenten Strukturen und deren Interaktion, der turbulenten Längenmaße sowie der Turbulenzintensitäten. Des Weiteren soll der hochgradig instationäre Charakter
der Strömung untersucht und potentielle Quellen für unerwünschte zyklische Schwankungen der dominanten Strömungsstrukturen und damit des
gesamten innermotorischen Verbrennungsprozesses identifiziert werden .
Abb. 2: Strömungsstrukturen im 4-Ventil Motor
Hinsichtlich des zonalen RANS-LES Ansatzes stellt die Kopplung des
Strömungsfeldes zwischen RANS und LES eine mathematische und physikalische Herausforderung dar. Vor allem Methoden, die eine effiziente
Transition der gemittelten turbulenten Strömung des RANS-Gebietes hin
zu einer dreidimensionalen instationären turbulenten Strömung im LESGebiet gewährleisten, werden in dem Projekt erarbeitet. Der auf synthetischen Turbulenzgenerierungsverfahren beruhende Ansatz projeziert unter
Verwendung einer Superposition kohärenter synthetischer Wirbel ein Geschwindigkeitsfeld auf die Eintrittsebene des LES Gebiets einer zonalen
Rechnung. Eine möglichst präzise Abbildung der strukturellen und spektralen Eigenschaften dieser synthetischen turbulenten Strukturen sowie die
räumliche Anordnung dieser Strukturen im Verbund ist essentiell für eine
effiziente Transition von synthetischer zu physikalischer Turbulenz in einer
Grenzschicht.
180
»» Hartmann, D., Meinke, M., and Schröder, W.:
,„A strictly conservative Cartesian cut-cell method for compressible
viscous flows on adaptive grids“,
Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., Vol. 200, pp. 1038-1052, 2011.
»» Dannemann, J., Pielhop, K., Klaas, M., and Schröder, W.:
„Cycle-Resolved Multi- Planar Flow Measurements in a Four-Valve Combustion Engine“,
Exp. Fluids (50), pp. 961-976, 2011.
»» Hartmann, D., Meinke, M., and Schröder, W.:
„The Constrained Reinitialization Equation for Level Set Methods“,
Journal of Comp. Physics, Vol. 229,pp. 1514-1535, 2010.
»» Schäfer, L., Dierksheide, U., Klaas, M., and Schröder, W.:
„Investigation of dissipation elements in a fully developed turbulent channel flow by tomographic particle-image velocimetry“,
Phys. Fluids 23, 035 106, 2011.
»» König, D., Meinke, M., and Schröder, W.:
„Embedded LES/RANS Boundary in Zonal Simulations“,
Journal of Turbulence, Vol. 11, No. 7, pp. 1-25, 2010.
181
Lehrstuhl für
Produktionssystematik
Ziel der Arbeiten des Lehrstuhls für Produktionssystematik ist es, der produzierenden Industrie durch konzeptionelle Forschungsergebnisse zu langfristigem und dauerhaftem Erfolg zu verhelfen. Die Themen erstrecken sich
von der Unternehmensentwicklung über das Innovationsmanagement bis
zur operativen Produktionsplanung und -steuerung. Eine besondere Stärke
des Lehrstuhls für Produktionssystematik besteht in der engen Verbindung
von ingenieurswissenschaftlicher und betriebswirtschaftlicher Forschung,
die in anwendungsnaher Forschung und Industrieprojekten weitergegeben
und vertieft wird. Der Branchenfokus des Lehrstuhls für Produktionssystematik liegt auf dem Werkzeug- und Formenbau, dem Maschinen- und
Anlagenbau und der Automobilindustrie.
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing.
Günther Schuh
Lehrstuhl für Produktionssystematik
Steinbachstr. 19
52074 Aachen
Tel.: +49 241/80-27406
Fax: +49 241/80-22293
Der Lehrstuhl für Produktionssystematik gliedert sich in die drei Abteilungen Unternehmensentwicklung, Innovationsmanagement und Produktionsmanagement.
[email protected]
Fokus der Abteilung Unternehmensentwicklung sind die Themenfelder
Kompentenzmanagement und Wertschöpfungsmanagement. Sie unterstützt organisatorische und technologische Veränderungen in Unternehmen und überträgt in ihrer Forschung und Beratungspraxis erfolgreiche
Prinzipien der Serienfertigung auf den durch Kleinstserien und Unikatfertigung geprägten Werkzeugbau.
Produktionstechnik
»» Schwerpunkte
Unternehmensentwicklung, Innovationsmanagement, Produktionsmanagement, Komplexitätsmanagement
Die Kompetenzen der Abteilung Innovationsmanagement liegen im Bereich
Komplexitäts- und Entwicklungsmanagement. Sie zielen auf eine durchgängige Gestaltung einer wirksamen und effizienten F&E in den Bereichen
Ideenmanagement, intelligent definierte Produktkomplexität und durchgängiges Produktdaten- und Produktlebenszyklus-Mangement.
»» Personal
Die Abteilung Produktionsmanagement beschäftigt sich mit der Gestaltung
effizienter Wertschöpfungsstrukturen, die das Zusammenspiel aus Eigenund Fremdfertigung am richtigen Standort nutzten und ein optimal aufeinander abgestimmtes Produktionsnetz entstehen lassen. Weitere Tätigkeitsfelder sind Fabrikneu- und -umplanung und Lean Produktion.
182
»» ConTOOL
Controlling of Resource Efficiency Throughout the Life-cycle of Tools
»» InnoZiel
Steigerung der Innovationsproduktivität mittelständischer Arzneimittelhersteller durch strategisch orientierte Zielbildung (AiF)
Ziel des Forschungsprojekts ConTOOL, welches durch die Programme Ziel 2.NRW und den EFRE geförderten wird, ist die Branche Werkzeugbau für das Thema Ressourceneffizienz zu sensibilisieren und
Stellhebel für Ressourceneinsparungen im Werkzeugerstellungsprozess sowie der anschließenden Teilefertigung aufzuzeigen. Dazu ist
eine ganzheitliche Lebenszyklusbetrachtung des Werkzeugs notwendig, um Daten über den Ressourcenverbrauch des Werkzeugs zu sammeln und Ressourcentreiber aufzudecken. Auf dieser Basis kann das
erlangte Wissen in Entwicklungs- und Produktionsprozesse einfließen
und zur Bewertung und Optimierung der Ressourceneffizienz genutzt
werden. Letztendlich müssen neben der Verbesserung der Ressourceneffizienz auch die zum Teil erst langfristigen Vorteile von ressourceneffizienten Werkzeugen potenziellen Kunden kommuniziert werden.
Die Arzneimittelbranche in Deutschland ist sehr durch den hohen Anteil
mittelständischer Unternehmen geprägt. Diese sind vor dem Hintergrund
sehr hoher Aufwendungen für ihre Innovationstätigkeit auf die erfolgreiche
Zulassung und Positionierung ihrer Neuprodukte am Markt angewiesen.
Innovationsaktivitäten führen zur Entwicklung neuer Produkte, die bei Erhalt eines Patents und einer Marktzulassung erheblich zur Verbesserung
der Wettbewerbssituation des Unternehmens beitragen. Gleichzeitig ergibt
sich aus dem Misserfolg einer Innovationstätigkeit oder dem Auslaufen eines Patentes aber oftmals eine die Eigenständigkeit des Unternehmens
direkt bedrohende Situation.
Marktpositionierungsmodell für ressourceneffiziente Werkzeuge
Im Forschungsprojekt ConTOOL wurde nach der Identifikation von potenziellen Stellhebeln zur Einsparung von Ressourcen, wie den benötigten
Temperaturen und Drücken beim Spritzgussprozess, ein Werkzeug zur
Produktion eines Nummernschildhalters entwickelt. Mit Hilfe von Spritzgusssimulationen wurden Auswirkungen verschiedener Varianten hinsichtlich Kunststoffart und Heißkanalsystem auf den Material- und Energiebedarf untersucht. Zahlreiche Sensoren am Werkzeug sollen Messwerte zur
Validierung der Simulationsergebnisse aufnehmen.
Zur Kommunikation der Vorteile von ressourceneffizienten Werkzeugen
hat das WZL ein Marktpositionierungsmodell entwickelt, welches einen
Ordnungsrahmen zur kundengerechten Positionierung von Werkzeugen
bildet. Auf Basis von Kundenanforderungen und Produktmerkmalen sollen
mögliche Positionierungsstrategien für ressourceneffiziente Werkzeuge
erarbeitet werden.
Das Ziel des von der AiF in Zusammenarbeit mit der Forschungsvereinigung der Arzneimittel-Hersteller e.V. (FAH), Bonn geförderten Projektes
InnoZiel mit einer Gesamtlaufzeit von 29 Monaten besteht daher darin,
mittelständische Arzneimittelhersteller dazu zu befähigen, individuelle Innovationsstrategien systematisch zu definieren und in praktisch wirksame
Zielsysteme für ihre Innovationsprojekte zu überführen. Dies wird erreicht
durch eine anwendungsnahe und branchenspezifische Methodik, mit der
mittelständische Arzneimittelhersteller ihre Innovationsstrategie und darauf
aufbauend die Zielsysteme ihrer Innovationsprojekte transparent und belastbar definieren und intern kommunizieren können. Damit trägt dieses
Vorhaben wesentlich dazu bei, die Innovationsproduktivität mittelständischer Arzneimittelhersteller erheblich zu verbessern, indem Forschungsund Entwicklungsressourcen fokussiert eingesetzt werden können.
Das Forschungsvorhaben gliedert sich im Wesentlichen in die drei Schritte „Modellierung des Strategieprozesses“, „Methodik zum Portfolioaufbau“
und „Aufbau von Zielsystemen“, die durch den projektbegleitenden Ausschuss unterstützt und deren Ergebnisse in gemeinsamen Workshops
validiert werden. Die Projektergebnisse fließen darüber hinaus in ein Softwaretool ein, das interessierten Unternehmen zusammen mit einem Leitfaden zur Anwendung der Methodik am Projektende zur Verfügung steht.
Übersicht der methodischen Elemente von der strategischen zur
projektspezifischen Ebene
183
»» Schuh, G.; Arnoscht, J.; Aleksic, S.:
Systematische Gestaltung von Kommunalitäten in Produkten und Prozessen,
in : ZWF - Zeitschrift für wissenschaftlichen Fabrikbetrieb 107 (2012), 5,
ISSN 0947-0085, S. 322-326
»» Schuh, G.; Boos, W.; Kuhlmann, K.; Schippers, M.:
Der Werkzeugbau im Wandel. Operative Exzellenz,
in: Kunststoffe 102 (2012), 10, ISSN 0023-5563, S.72-78.
»» Schuh, G.; Arnoscht, J.; Völker, M.:
Product Design Leverage on the Changeability of Production Systems,
in: Procedia CIRP 1 (2012), 3, ISSN 2212-8271, S. 305-310.
»» Schuh, G.; Potente, T.; Fuchs, S.; Thomas, S.; Schmitz, S.; Hausberg,
C.; Hauptvogel, A.; Brambring, F.:
Self-optimizing decision-making in production control,
in: Robust Manufacturing Control - Proceedings of the CIRP Sponsored
Conference RoMaC 2012, Bremen, Germany, 18th-20th June 2012,
Hrsg.: Windt, K., Lecture Notes in Production Engineering, Springer, 2013,
ISBN: 978-3-642-30748-5, S. 443-454.
»» Schuh, G.; Kuhlmann, K.; Pitsch, M.:
Further Education in the Tool and Die Industry, in: Technology Management for Emerging Technologies:
Proceedings of PICMET ’12 Portland, International Center for Management of Engineering and Technology, Portland State University, Vancouver, Canada, July 29 – August 2, 2012,
Hrsg.: Kocaoglu, D. et al., Portland State University Portland/ USA 2012,
ISBN: 1-8900843-26-1, S. 1868-1875.
184
Lehr- und Forschungsgebiet für Nichtlineare
Dynamik der LaserFertigungsverfahren
»» Anwendungen
Wir entwickeln Konzepte zur Führung von Fertigungsverfahren (z.B.
Schneiden, Schweißen, Bohren) mit Laserstrahlung und leiten daraus Anforderungen an zukünftige Lasersysteme ab.
»» Konzepte
Neue Konzepte der Verfahrensführung entstehen, wenn die Lösungseigenschaften (z.B. die Bildung anhaftender wiedererstarrter Schmelze beim
Schneiden) des Modells mit den Ergebnissen aus der Diagnose bzw. den
experimentell beobachtbaren Eigenschaften (z.B. Aufnahme der thermischen Emission der Schneidfront mit einer CMOS-Kamera) identifiziert
werden können.
»» Nichtlineare Dynamik
Um ddie nichtlineare Dynamik (NLD) der Laser-Fertigungsverfahren besser zu verstehen, werden die Lösungseigenschaften kontinuumsphysikalischer Bewegungsgleichungen (z.B. Bewegung der Phasengrenzen beim
Schmelzen und Verdampfen) analysiert.
»» Reduzierte dynamische Systeme und Metamodellierung
Durch mathematische Modellierung der als wesentlich erkannten Struktur
der Lösung werden reduzierte dynamische Systeme angegeben.
»» Numerische Methoden
Um die Approximationsgenauigkeit der reduzierten dynamischen Systeme
zu überprüfen und um zusätzliche Effekte aufzufinden, werden numerische
Methoden angewandt (z.B. Level-Set Verfahren zur Beschreibung der Bewegung freier Phasengrenzen, Wavelet-Basen zur effizienten und adaptiven Funktionsapproximation).
Wolfgang Schulz
NLD - Lehr- und Forschungsgebiet für Nichtlineare Dynamik der
Laser-Fertigungsverfahren
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Tel.: +49 241/89-06204
Fax: +49 241/89-06112
[email protected]
www.nld.rwth-aachen.de
Produktionstechnik, Grundlagen des Maschinenwesens
»» Schwerpunkte
Modellierung und Simulation, Integrative Produktion, Laser und Laseroptik, Trenn- und Fügeverfahren, Mikrotechnik
»» Personal
185
»» Exzellenzcluster
»» ERC, RFCS
„Safe Laser Hybrid Welding of Structural Steel by Robust Systems“
(HYBRO)
Simulations-Ergebnis des Schmelzabtragens mit Darstellung der adaptiven
Vernetzung
Simulation der Riefen- und Bartbildung beim Laserschmelzschneiden
Propagation eines Laserstrahls in einem Wasserstrahl
Modellierung und Simulation des Abtragens von Glas
186
»» Diagnostic and Simulation of ps-Laser Glass Cutting
U. Eppelt, S. Russ, C. Hartmann, M. Sun, Ch. Siebert, W. Schulz.
ICALEO: 31. Int. Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics,
September 23-27, 2012, Anaheim, CA, USA. Congress general chair:
Kunihiko Washio. Orlando, Fl.: LIA Laser Institute of America 2012. LIA
Pub. 615: Vol. 105. ISBN 978-0-912035-96-3. 10 S., 2012.
»» Antimikrobielle Photodynamische Therapie - Analyse des Ablaufs der
chemischen Prozesse
L. Bürgermeister, R. Mikalauskaite, G. Vossen, W. Schulz.
In: Automatisierungstechnische Verfahren für die Medizin. 10. Workshop
vom 29. bis 30. März 2012. pp. 13f, 2012
»» Laser ablation mechanism of transparent dielectrics with picosecond
laser pulses
M. Sun, U. Eppelt, S. Russ, C. Hartmann, Ch. Siebert, J. Zhu, W. Schulz.
In: Proceedings SPIE Vol. 8530 Laser Damage, 2012
»» Signal Processing for Self-Optimising Manufacturing Systems in
Laser-Cutting and Gas-Metal-Arc-Welding
U. Thombansen, M. Beckers, G. Buchholz, T. Hermanns, T. Molitor, K.
Willms, U. Reisgen, W. Schulz.
In: 1st Joint International Symposium on System-Integrated Intelligence
2012. Ed.: B. Denkena [u.a.]. Garbsen: PZH 2012. pp. 114-116
»» Elektronenschauer im Glas
U. Eppelt. Laser Community,
Ausgabe: 2012 (2), pp. 24f, 2012
187
Datengetriebene
Modellierung in
Computational
Engineering Sciences
Andreas Schuppert
AICES - Aachen Institute for advanced Studies in
Computational Engineering Sciences
Lehrstuhl für Datengetriebene Modellierung in Computational
Engineering Science
Augustinerbach 2
52062 Aachen
Tel.: +49 241/80-99202
Fax: +49 241/80-628498
Forschung und Lehre auf dem Gebiet der datengetriebenen Modellierung
komplexer Systeme mit besonderem Schwerpunkt auf Anwendungen in
Biologie und Medizin. Dabei werden dieMethoden aus der Theorie Inverser
Probleme auf die speziellen Anforderungen hochdimensionaler biomedizinischer Fragestellungen angewendet. Anwendungsbereiche sind Cellular
Engineering und Onkologie. Schwerpunkte hierbei sind die Rekonstruktion
komplexer funktionaler Netzwerke für Medikamentenwirkung aus biologischen Daten, die Identifizierung von Qualitiätsmerkmalen von Stammzellen
und die Charakterisierung von Tumoren. Hierzu werden Hochdurchsatzdaten aus Genomics oder Proteomics eingesetzt. Hierbei besteht ein direkter
Bezug zur Systembiologie und Bioinformatik.
Methodische Schwerpunkte sind dabei:
»» Hybride Modellierung komplexer Systeme mit funktionalen
Netzwerken
»» Reengineering von Systemstrukturen aus Daten
»» Modellierung der Regulationsstruktur biologischer Systeme
»» Prognose klinischer Parameter aus -omics Daten
[email protected]
www.aices.rwth-aachen.de
Computational Engineering Science, Biomedical Engineering
»» Schwerpunkte
Computational Biomedicine, Hybrid Modelling, Systems Biology
»» Personal
188
»» Multiskalenmodellierung für die Prognose der Medikamentenwirksamkeit in Tumoren
»» Reengineering von Signaltransduktionsnetzwerken
Ein großes Problem für die Tumortherapie ist die hohe Variabilität der Wirksamkeit von Medikamenten bei verschiedenen Patienten und verschiedenen Tumoren. Außerdem ist es heute noch nicht möglich, die Wirksamkeit
von Tumormedikamenten bei Patienten vorherzusagen, auch wenn ausreichend Daten aus Zellkulturen und Tierversuchen zur Verfügung stehen.
Zusammen mit einer Gruppe am MIT und der TU Athen wurden in Hochdurchsatzexperimenten die Aktivierung von Proteinen durch Kombinationen aus Stimuli und Inhibitoren gemessen.
Um die Verhersage der personalisierten Wirksamkeit zu verbessern wird im
Rahmen eines BMBF-Projektverbunds (MEDSYS) zusammen mit industriellen (Bayer Schering Pharma AG, Bayer Technology Services GmbH) und
akademischen (DKFZ Heidelberg) Partnern ein Worklow für die Modellierung entwickelt, der durch Integration heterogener experimenteller Daten
mit Hilfe von Mehrskalenmodellen eine verbesserte Prognose erreichen
soll. Hierbei wird insbesondere eine Integration von biologisch relevanten
Prozessen auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen angestrebt. So werden
zum Beispiel Signaltransduktionsnetzwerke modelliert und verschaltet mit
genomweiten Genregulationsnetzwerken und populationsdynamischen
Modellen, die das klinisch relevante Verhalten beschreiben sollen. So wird
die direkte Medikamentenwirkung (Mode of Action) gekoppelt mit Stress
Responsemechanismen und evolutionären Prozessen der Resistenzbildung, so daß eine gesamtheitliche Modellbildung erreicht wird.
Am AICES wurde dazu ein neues Netzwerk-Reengineeringverfahren entwickelt, das die Rekonstruktion von funktionalen Signaltransduktionsnetzen
aus solchen kombinatorischen Daten erlaubt. Dieses Verfahren wurde neu
implementiert und weiterenwickelt für die Analyse von Tumordatensätzen.
Durch die Analyse von Zell- und wirkstoffspezifischer Muster in den Daten werden Verfahren entwickelt, die eine genauere Prognose der Wirkungsmechanismen neuer Krebsmedikamente in einer frühen Phase der
Forschung mit höherer Treffergenauigkeit ermöglichen. Insbesondere soll
damit die induzierte Plastizität der Zellen genauer untersucht werden.
»» Stem Cell Factory
ZNeueste Ergebnisse des Cellular Engineering zeigen, dass differenzierte
somatische Zellen reprogramiert werden können zu pluripotenten Stammzellen, die neue therapeutische Optionen versprechen. Ausserdem verspricht sich die pharmazeutische Industrie verbesserte Testverfahren für
Medikamente und Toxizitätstests. Allerdings birgt die Reprogrammierung
ein erhebliches und bisher nicht beherrschbares Risiko für die Induktion
von Tumoren, das therapeutische Optionen noch ausschliesst.
Im Projekt StemCellFactory wurden in 2012 neue Datenstrukturen von Zellen identifiziert, die eine Qualitätsbeurteilung von reprogramierten Stammzellen ohne die bisher üblichen Tierversuche erlauben. Hierbei wurden die
im Projektverlauf entwickelten Methoden erfolgreich auf neue Datenstrukturen, wie epigenetische Methylierungsdaten, angewandt. Hiemit können
nun Zusammenhänge zwischen Reprogrammierung, Alterung und induziertem Krebsrisiko besser untersucht werden.
189
»» B.D.MacArthur, A.Sevilla, M.Lenz, F.J.Müller, B.Schuldt, A.Schuppert,
S.J.Ridden, M.Fidalgo, J.Wang, I.R.Lemischka (2012):
nanog-dependent feedback loops maintain alternate states of stem cell
pluripotency,
Nature Cell Biology, (doi:10.1038/ncb2603).
»» J. E. Goldmann, B. M. Schuldt, M. Lenz, and F.-J. Müller:
PluriTest molecular diagnostic assay for pluripotency in human stem cells.
In J.F. Loring and S.E. Peterson (eds): Human stem cell manual, second
edition. Elsevier Inc. (2012).
»» B.M.Schuldt, F.J.Müller, A.Schuppert, (2012):
What can networks do for you?
In: New frontiers of network analysis in Systems Biology. (A.Ma‘ayan,
B.D.MacArthur, eds.) Springer, 173-194
»» 39 S.Balabanov, T.Wilhelm, S.Venz, G.Keller, C.Scharf, H.Pospisil,
M.Braig, C.Barett, C.Bokemeyer, R.Walther, T.H. Brümmendorf,
A.Schuppert, (2013):
Combination of a proteomics approach and reengineering of meso scale
network models for prediction of mode-of-action for tyrosine kinase inhibitors, PLoS ONE 8(1): e53668. doi:10.1371/journal.pone.0053668
»» B.Schuldt, A.Guhr, M.Lenz, S.Kobold, A.Schuppert, P.Löser, F.J.Müller
(2012):
Power-laws and the use of pluripotent stem cell lines,
PLoS One, accepted.
190
Verfahren höherer
Ordnung in der
Mehrphasenströmungssimulation
Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf numerischer Simulation in der Strömungsmechanik, insbesondere auf Methoden höherer Ordnung (d.h.
Methoden von sehr hoher Genauigkeit). Es werden einerseits neuartige
Diskretisierungsmethoden entwickelt, wie z.B. neuartige hybridisierte
Finite-Elemente Verfahren, welche gerade bei Approximation mit hoher
Ordnung enorme Effizienzvorteile bieten. Des Weiteren werden in diesem
Zusammenhang adaptive Verfahren in Verbindung mit automatischen
Fehlerschätzern untersucht, mit deren Hilfe man die Güte der Simulation
abschätzen kann. Dies ist gerade bei nichtlinearen Gleichungen enorm
schwierig.
Juniorprofessor
Georg May, Ph.D.
Einen weiteren Forschungsschwerpunkt bildet die Systembiologie. Mit mathematischen Modellen untersuchen wir Reaktionen biologischer Systeme
auf Störungen, wie sie z.B. durch toxischen Stress und/oder medikamentöse Behandlung hervorgerufen werden. Oftmals betrachtet man sehr große
Systeme mit vielen Freiheitsgraden, wie z.B. bei Genexpressionsmessungen. Für die praktische Anwendung sehr wichtig sind daher Verfahren zur
Dimensionsreduktion, die einen besseren Einblick in genomweite Prozesse
erlauben. Anwendungen finden sich z.B. in der Krebsforschung bei der Erstellung von Biomarkern, wo es das Ziel ist, mittlels Genexpressionsdaten
Prognosen über die Wirksamkeit von Medikamenten und den Krankheitsverlauf zu erstellen.
Tel.: +49 241/80-99133
Fax: +49 241/80-628498
AICES - Aachen Institute for Advanced Study in
Computational Engineering Science
Verfahren höherer Ordnung in der Mehrphasenströmungssimulation
Schinkelstr. 2
52062 Aachen
[email protected]
www.aices.rwth-aachen.de
Computational Engineering Science, Simulation Sciences
»» Schwerpunkte
Numerik, partielle Differentialgleichungen, Fehlerschätzer
»» Personal
191
»» „Mehrskalenmodelle für die zuverlässige Prognose der Wirksamkeit
von zielgerichteten Medikamenten in der Onkologie“
»» „High Order Methods for Compressible Viscous Flow on Unstructured
Meshes: New Discretization Techniques and Algorithms“
Gefördert durch BMBF, Kennzeichen 0315416D.
Gefördert durch European Office of Aerospace Research and Development (EOARD), London, Kennzeichen FA8655-08-13060.
Hier soll ein Modellierungsansatz entwickelt und eine Simulationsplattform
geschaffen werden, die es ermöglicht Zellreaktionen auf medikamentöse
Behandlung auf der Ebene der Transkriptomik, d.h. der Genexpression,
zu simulieren. Insbesondere lag hier zuletzt der Fokus auf Biomarkern
in der Onkologie: Krebs ist sicher eine genetische Krankheit. Man geht
daher davon aus, dass man klinisch relevante Informationen aus genomweiten Expressionsdaten ableiten kann. Es ist dann das Ziel, anhand von
solchen Genexpressionsdaten Prognosen über Gutartigkeit des Befundes
und weiteren Verlauf der Krankheit machen zu können. Basierend auf
modernen Maschinenlernverfahren haben wir zuletzt einige Modelle
entwickelt und anhand von Genexpressionsdaten aus Zellkulturen und
Patientendaten getestet.
Dieses Projekt befasst sich mit der Entwicklung effizienter Diskretisierungen höherer Ordnung für Erhaltungsgleichungen, sowie zugehöriger
Lösungsalgorithmen. Beispiele für Anwendungen finden sich in der Strömungsmechanik. Es werden beispielsweise neue Diskretisierungen für
Erhaltungsgleichungen entwickelt, die nach dem mathematischen Prinzip
der Hybridisierung arbeiten. Diese Methoden verbessern die Effizienz
von Verfahren höherer Ordnung potentiell enorm, sind aber für bestimmte
nichtlineare Gleichungstypen nicht ausreichend erforscht. Ein weiteres Ziel
innerhalb dieses Projektes ist die zielorientierte Adaption, d.h. die optimale
adaptive Verteilung der numerischen Freiheitsgrade, so dass bestimmte
Zielgrössen (z.B. Auftriebs- und Wiederstandsbeiwerte in der Aerodynamik)
möglichst effizient berechnet werden können.
192
»» Wang, Z. J., May, G. et al.:
„High-order CFD methods: current status and perspective“,
Int. J. Numer. Meth. Fluids 72(8), pp. 811–845, 2013.
»» Schütz J., May, G.:
„An Adjoint Consistency Analysis for a Class of Hybrid Mixed Methods“,
IMA J. Numer. Anal., accepted 2013
»» Schütz J., May, G.:
„A Hybrid Mixed Method for the Compressible Navier-Stokes Equations“,
J. Comp. Phys 240, pp. 58-75, DOI: 10.1016/j.jcp.2013.01.019, 2013.
»» Balan, A., Schöberl, J.,May, G.:
„A Stable High-Order Spectral Difference Method for Hyperbolic Conservation Laws on Triangular Elements“,
J. Comput. Phys. 231(5), pp. 2359–2375, 2012
»» J. Schütz, S. Noelle, C. Steiner, May, G.:
„A Note on Adjoint Error Estimation for One-Dimensional Stationary Conservation Laws with Shocks“,
SIAM J. Numerical Analysis 51(1), pp. 126-136, 2013.
193
Aachener
Verfahrenstechnik
Enzymprozesstechnik
Antje C. Spieß
AVT.EPT - Aachener Verfahrenstechnik
Enzymprozesstechnik
Worringerweg 1
52056 Aachen
Tel.: +49 241/80-23307
Fax: +49 241/80-23301
[email protected]
Verfahrenstechnik
»» Schwerpunkte
Methodischer Schwerpunkt im Bereich Reaktionskinetik von Enzymreaktionen für Feinchemie, nachwachsende Rohstoffe und Polymere
»» Personal
Die Arbeit der AVT.EPT konzentriert sich auf die Erforschung von enzymkatalysierten Prozessen. Dies reicht von grundlagenorientierten Themen
wie der mechanistischen Beschreibung der Wechselwirkungen von Enzym
und Reaktionsmedium und der Interaktion in Reaktionsnetzwerken bis hin
zur angewandten Forschung des Reaktordesigns und integrierter Enzymprozesse.
Im Rahmen des Exzellenzclusters TMFB wird die enzymatische Umsetzung
von Cellulose und Lignin zu Plattformchemikalien betrachtet. Hier steht
die Anwendung von innovativen Lösungsmitteln, die die Zugänglichkeit
der Substrate für die enzymatische Katalyse verbessert, im Vordergrund.
Um die enzymatische Hydrolyse von Lignin und Cellulose zu beschreiben,
werden die zugrunde liegenden Mechanismen der Reaktion erforscht und
geeignete mathematische Modelle entwickelt.
Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Entwicklung und Untersuchung
enzymkatalysierter Reaktionen in verschiedenen Reaktortypen und Reaktionsmedien dar. Viele Biokatalysatoren weisen in organischen Lösungsmitteln keine oder nur eine sehr geringe Aktivität auf. Daher wurden Enzymprozesse in wässrig-organischen Zweiphasensystemen entwickelt, in
denen durch die Immobilisierung in Hydrogelen die Enzymstabilität erhöht
wird. Bei der Gasphasenkatalyse beeinträchtigen oftmals erhöhte Prozesstemperaturen die Enzymstabilität. Ein grundlegendes Verständnis der
Deaktivierung ist daher zur Optimierung mehrphasiger Enzymprozesse
notwendig.
Weitere Projekte beschäftigen sich mit der Modellierung und Untersuchung
der Kinetik enzymkatalysierter Reaktionsnetzwerke, um ein quantitatives
Verständnis der Reaktionsschritte zu erlangen und einen Beitrag zur Aufklärung der Struktur-Funktions-Beziehung unterschiedlicher Enzymen zu
leisten.
In Zusammenarbeit mit dem DWI - Institut für Interaktive Materialien wird
die Kontrolle und das Design enzymkatalysierter Reaktionen durch responsive Materialien, wie beispielsweise durch funktionale Polymere und
Mikrogele, erforscht.
194
»» Analyse der Länge von Cellulose-Ketten ohne vorherige
Derivatisierung
»» Model-basierte Vorhersage des Lösemitteleinflusses auf Enzyme in
biomassebasierten Prozessen
Die Bestimmung der Kettenlänge von Cellulose-Molekülen ist aufgrund ihrer schlechten Löslichkeit bisher eine Herausforderung. Die
Proben müssen dafür zunächst mit gesungheitsschädlichem Phenylisothiocyanat derivatisiert werden, um vollständig substituierte und
damit lösbare Cellulosederivate zu erhalten. Durch Größenauschlusschromatographie (GPC) können dann für diese derivatisierten Celluloseketten die Molekulargewichtsverteilungen bestimmt werden.
Die Vorbehandlung von Biomasse mit Lösemitteln verspricht eine verhältnismäßig milde Alternative zum sonst meist üblichen chemischen Abbau
der Biopolymere zu sein. Besonders die Kopplung einer lösemittelbasierten
Vorbehandlung mit dem anschließenden enzymatischen Abbau der Bioplymere ist geeignet, um schonend monomere Produkte aus Biomasse zu
gewinnen. Da durch die Vorbehandlung die Biomasse strukturell verändert
wird, erhöht sich die Zugänglichkeit für den enzymatischen Abbau. Allerdings können sich mögliche Rückstände der Lösemittel ebenso negativ auf
die Aktivität der Enzyme auswirken.
Am Lehrstuhl für Enzymprozesstechnik wurde daher eine GPC-Analysemethodik entwickelt, die ohne vorherige chemische Probenvorbereitung
eine Celluloseanalyse erlaubt. Die GPC-Methode nutzt dafür eine Mischung aus der ionischen Flüssigkeit EMIM Acetat und des Lösungsmittels
DMF als Laufmittel. Aufgrund der somit schnellen Probenvorbereitung ist
es nun möglich, Veränderungen im Abbauprozess von Cellulose zu verfolgen (Abb. 1) und liefert damit einen wichtigen Baustein für die Entwicklung
nachhaltiger Produktionsprozesse.
Abb. 1: Zeitliche Veränderungen der Molekulargewichtsverteilung während der enzymatischen Hydrolyse. Unbehandelt (links) und regenerierte
(rechts) Cellulose (Avicel). Zur Darstellung des Massenverlustes während
der Hydrolyse wurde die Fläche unter den Kurven entsprechend angepasst. Durchführung der enzymatischen Hydrolyse bei 45°C, 0,25 g/L
Celluclast (R) (entsaltz) in 0,1 M NaAc-Puffer (pH 4,8). Eluent DMF/ 10%
(v/v) EMIM Ac, Flussrate 0,5 mL/min.
Aus diesem Grund wurde ein einfach parametrisiertes mathematisches
Modell entwickelt, das zur Charakterisierung des Lösemitteleinflusses und
der Enzymbindungskonstanten nur die Enzymaktivität und Enzymstabilität
als Funktion des Lösemittels benötigt. Darüber hinaus beschreibt es den
Einfluss verschiedener Cellulose-Substrate als Funktion der maximalen
Aktivität des Enzyms und des Grads an synergistischen Effekten. Anhand
diesen Modells konnten geeignete Vorhersagen zu Versuchen mit jeweils
verschiedenen Cellulase-Zusammensetzungen und Lösemitteln getroffen
werden (Abb. 2).
Abb. 2: Modelbasierte Vorhersage der Hydrolyse von 10 g/L regenerierte
α-Cellulose mit und ohne Rückstand von 10% (v/v) MMIM-DMP. Verwendung von künstlicher Cellulose-Mischung aus 40 % (m/m) CBH I und 60%
(m/m) EG I im Vergleich zu natürlicher Mischung. 0,1 M NaAc-Puffer, pH
4,8, 45°C.
»» Analyse von Enzymkinetiken zur Suche nach geeigneten Substraten
für Histon-Deacetylasen
Histon-Deacetylasen (HDAC) sind Enzyme, die durch epigenetische Modifikationen menschliche Genexpression kontrollieren. HDAC Inhibitoren werden daher besonders als mögliche Krebsmedikamente erforscht. HDAC Aktivatoren - wie das im
Rotwein vorhandene Molekül Resveratol - werden als gesundheitsförderlich angenommern. Zur Klärung der Effekte forscht die Gruppe von Dirk
Schwarzer, Heidelberg, an synthetischen Substraten, die eine eindeutige Aktivierung oder Inhibition der HDAC bei in-vitro Versuchen erlaubt.
Die am Lehrstuhl für Enzymprozesstechnik durchgeführte Analyse einer mit
einem neuartigen Substrat der Schwarzer-Gruppe gewonnenen Enzymkinetik der HDAC Sirtuin I zeigte keine Aktivierung durch Resveratrol. Die
mathematische Beschreibung der Effekte deutet somit darauf hin, dass die
vormals beobachteten in-vitro Effekte durch den vermeintlichen Aktivator
Resveratrol nur durch eine spezifische Wechselwirkung mit dem vorher
benutzten Test-Substrat zustande kamen.
195
»» A.C. Spiess:
Ionic-liquid-assisted enzymatic depolymerisation of cellulose from biomass, Dynamic Biochemistry,
Process Biotechnology and Molecular Biotechnoloy, 6 (2012) 12-21.
»» A. Dose, J.O. Jost, A.C. Spiess, P. Henklein, M. Beyermann, D.
Schwarzer:
Facile synthesis of colorimetric histone deacetylase substrates,
Chemical Communications, 48 (2012) 9525-9527.
»» P. Engel, L. Hein, A.C. Spiess:
Derivatization-free gel permeation chromatography elucidates enzymatic
cellulose hydrolysis,
Biotechnology for Biofuels, 5.(2012).
»» S. Wiese, A.C. Spiess, W. Richtering:
Microgel-stabilized smart emulsions for biocatalysis,
Angewandte Chemie-International Edition, 52 (2012) 576-579.
»» P. Engel, S. Krull, B. Seiferheld, A.C. Spiess:
Rational approach to optimize cellulase mixtures for hydrolysis of regenerated cellulose containing residual ionic liquid,
Bioresource Technology, 115 (2012) 27-34.
196
Lehrstuhl für
Brennstoffzellen
»» Keramische Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC)
»» Reformierung von Mitteldestillaten zur H2-Versorgung von Brennstoffzellen
»» Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC)
»» Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)
»» Wasserelektrolyse (PEM) und Wasserstoffinfrastrukturen
»» Gasabtrennung für die stoffliche Nutzung
Detlef Stolten
IEK-3 Elektrochemische Verfahrenstechnik
Lehrstuhl für Brennstoffzellen
52425 Jülich
Tel.: +49 2461/61-3076
Fax: +49 2461/61-3385
[email protected]
www.fz-juelich.de/iek/iek-3/
Grundlagen und Technik der Brennstoffzellen
»» Schwerpunkte
Erforschung und Entwicklung von Brennstoffzellen
»» Personal
197
»» MetAPU
Metallsubstrat-getragene Festelektrolyt-Brennstoffzelle (MSC) für die
Bordstromversorgung (APU)
»» ADELHEID
Aus dem Labor heraus in die Lüfte
Ziel des vorliegenden Projektes MetAPU ist es, aufbauend auf den BMWiProjekten ZeuS-II und III und den derzeit noch laufenden MSC-relevanten
Projekten MS-SOFC und NextGen MSC ein Stack-Konzept für eine NFZAPU zu realisieren, welches auf gesinterten MSC-Zellen der zweiten Generation beruht. Der Schwerpunkt liegt hier auf der übergeordneten StackEntwicklung sowie auf der Demonstration von seriennahen MSC-Stacks.
Im Projektplan ist die Vernetzung der noch laufenden und zukünftigen Projekte als chronologische Übersicht dargestellt.
IIm Projekt ADELHEID steht eine Kernkomponente für die Wasserstoffversorgung von Brennstoffzellen im Mittelpunkt – der Reformer. Eine
wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung von Reformern für die
Brennstoffzellentechnik stellen die Herstellkosten dar. In ADELHEID sollen wissenschaftliche Ergebnisse mit Reformern des Forschungszentrums
Jülich und deren technische Weiterentwicklung in eine industrielle Fertigungstechnik übertragen werden. Dazu stehen die Industrieunternehmen
Thomas Magnete und Presswerk Struthütten mit ihrer umfangreichen Expertise im Apparatebau und als Zulieferer der Automobilindustrie zur Verfügung. Ergänzt wird das Konsortium durch den Ventilhersteller GSR Ventiltechnik und den Hersteller von Transportkältemaschinen FRIGOBLOCK
Grosskopf.
Vernetzung von MetAPU zu abgeschlossenen Forschungs- und zukünftigen Entwicklungsschritten
Reformer aus innovativer, industrieller Fertigung für den Brennstoffzelleneinsatz
»» EKOLYSER
Neue kostengünstige und nachhaltige Materialien für die PEM-Elektrolyse
zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien
»» Power-to-Gas-to-Traction
P2G2T: Wasserstoff aus überschüssigem Windstrom für den Verkehr
Im Rahmen des Projekts EKOLYSER werden kostengünstige und nachhaltige Materialien für die PEM-Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff
aus regenerativen Energien entwickelt, um die PEM-Elektrolysetechnologie realistisch in den Massenmarkt für die Energie-speicherung nach dem
Jahr 2020 einsetzen zu können. Das Projekt ist im Leuchtturm-Vorhaben
„Wind-Wasserstoff-Kopplung“ angesiedelt. Koordiniert durch das IEK-3 arbeiten das Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion mit den
Industriepartnern FuMA-Tech, SolviCore und Gräbener Maschinentechnik
zusammen.
Das IEK-3 hat ein Energieversorgungskonzept für Deutschland aufgestellt,
das eine Reduktion des CO2-Ausstoßes um 55 % gegenüber 1990 vorsieht.
Es beruht auf der Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien, Elektrolyse und Wasserstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge im Straßenverkehr.
Die Residuallast wird mit Gaskraftwerken gedeckt. Der Beitrag enthält auch
eine Studie zur Wasserstoffübertragung und -verteilung über Pipelines. Mit
einem weiterentwickelten Ansatz, der die regionale Leistungscharakteristik
der zur Verfügung stehenden Netzknoten berücksichtigt, wird die Bewertung der Rolle und des Potenzials von Wasserstoff für NRW angegangen.
Es ist weiter vorgesehen, die verwendeten Modelle orts- und zeitaufgelöst
zu verfeinern und für die energie- und klimapolitischen Ziele bis 2050 technologiebasierte Versorgungskonzepte für Deutschland zu entwickeln und
zu quantifizieren.
EKOLYSER-Projektkonsortium
Energieversorgungsstrategie zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen
198
»» Stolten, D.; Emonts, B.:
Fuel Cell Science and Engineering - Materials, Processes, Systems and
Technology
WILEY-VCH Weinheim, Vol. 1+2 (2012), ISBN: 9783527330126
»» Mergel, J.; Janßen, H.; Müller, M.; Wilhelm, J.; Stolten, D.:
Development of direct methanol fuel cell systems for material handling
applications
J. of Fuel Cell Science and Technology, 9 (2012) 3, 031011
http://dx.doi.org/10.1115/1.4006490
»» Peksen, M.; Blum, L.; Stolten, D.:
Optimisation of a solid oxide fuel cell reformer using surrogate modelling,
design of experiments and computational fluid dynamics
Int. J. of Hydrogen Energy 37 (2012), 12540 - 12547
http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.05.137
»» Zhao, L.; Riensche, E.; Weber, M.; Stolten, D.:
Cascaded membrane processes for post-combustion CO2 capture
Chemical Engineering & Technology, 35 (2012) 3, 489 - 496
http://dx.doi.org/10.1002/ceat.201100462
»» Majerus, A.; Conti, F.; Korte, C.; Lehnert, W.; Stolten, D.:
Thermograviemtric and spectroscopic investigations of the interaction
between polybenzimidazole and phosphoric acid
ECS Transactions 50 (2012) 2, 1155-1165
http://dx.doi.org/10.1149/05002.1155ecst
199
für Luft- und
Raumfahrtsysteme
Eike Stumpf
ILR - Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme
Wüllnerstraße 7
52062 Aachen
Tel.: +49 241/80-96801
Fax: +49 241/80-92233
[email protected]
www.ilr.rwth-aachen.de
Verkehrstechnik, Energietechnik, Grundlagen des Maschinenwesens,
Konstruktion und Entwicklung
»» Schwerpunkte
Entwurf innovativer Flugzeugkonfigurationen, Aeroakustik von Luftfahrzeugen, Optimierung des Luftverkehrs, angewandte Strömungsmechanik
»» Personal
Das ILR entwirft und bewertet innovative Flugzeugkonfigurationen und
neuartige Flugzeugkomponenten unter Berücksichtigung des Gesamtsystems. Weiterhin werden Methoden und Tools entwickelt, die dazu beitragen, den Luftverkehr zu optimieren. Damit können beispielsweise Lärm,
Schadstoffemissionen oder die direkten Betriebskosten minimiert werden.
Zur Verbesserung der Turnaround-Zeiten an Flughäfen werden mit Hilfe
von Optimierungstools unterschiedliche Methoden bewertet, um die Gepäckabfertigung oder den Boarding-Prozess zu beschleunigen.
Seit mehr als 25 Jahren ist die Untersuchung von Wirbelschleppen startender und landender Flugzeuge ein Schwerpunkt der Forschung am ILR.
Untersuchungen finden im Schleppkanal, im Windkanal sowie in zwei Wasserumlaufkanälen statt.
Eine Voraussetzung zur Analyse der Entstehung und Reduzierung der
Lärmabstrahlung einzelner Flugzeugschallquellen ist es, die jeweiligen instationären Strömungsfelder zu kennen. Letztere werden entweder numerisch berechnet oder im institutseigenen Windkanal messtechnisch erfasst.
Im Windkanal wie im Feldversuch können auch die Schallquellen mittels
eines Mikrofonarrays lokalisiert werden.
Die Heckströmung von Raketenkonfigurationen erzeugt einen wesentlichen
Teil des Gesamtwider-standes. Mit dem Ziel einer deutlichen Reduzierung des
Heckwiderstandes werden Strömungsunter-suchungen im Heckbereich (inkl.
Düsenströmung) mit innovativer Messtechnik im Windkanal durchgeführt.
»» Messmethoden:
Ölanstrich- und Rauchverfahren, 2C-, 3C- und Tomo-PIV, Druckmessungen, Kraft- und Momentenmessungen, Splitfilm-Messtechnik, Mikrofon
Array, Einzelmikrofone.
»» Numerische Methoden:
CFD
»» Optimierungstools:
hauseigene Codes
»» Simulationstools:
TOMICS, Gasturb, PanAir
Die Hauptvorlesungen des ILR sind:
»» Flugzeugbau (2/2 WS; 2/1 SS)
»» Raumfahrzeugbau (2/1 WS; 2/1 SS)
»» Systeme der Luft- und Raumfahrt (3/1 WS)
200
»» SARISTU – Smart Intelligent Aircraft Structures
Die Senkung der Betriebskosten von Verkehrsflugzeugen ist ein vorrangiges Ziel für die Auswahl von Technologien neuer Flugzeugkonzepte. Zur
optimalen Reduktion von Betriebskosten können innovative Systeme kombiniert werden. Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung von verformbaren
Flügelprofilen unter Anwendung von Verbundwerkstoffen. Diese ermöglicht
die Auslegung eines Flügels, der lokale Profiländerungen zulässt und so
für verschiedene Flugzustände eine möglichst lange laminare Umströmung
gewährleistet.
SARISTU (Smart Intelligent Aircraft Structures) ist ein Level 2 EU Projekt,
das die Reduktion von Gewicht, operationellen Kosten und die Verbesserung der aerodynamischen Leistung von Flugzeugen zum Ziel hat.
Das Projekt konzentriert sich auf drei spezifische Bereiche:
»» Verformung der Flügelgeometrie
»» selbstüberwachende Strukturen
»» multifunktionale Strukturen
Bisher durchgeführte Analysen des Lärms von verschiedenen Flugzeugen
und deren Bewegungen haben sich auf die Auswertung von dBA-Werten
(A-weigthed decibel) beschränkt. Ebenso beruhen hierauf auch alle potentiellen Verbesserungen. Die Auswertung dieser Werte liefert zwar Informationen über die Reduktion der Lautstärke, gibt den wahrgenommen Lärm
aber nur unzureichend wieder, da einzelne Breitband- und Tonalkomponenten unter Umständen nicht erfasst werden.
Am ILR wurde das „Noise Prediction Tool“ entwickelt, das in der Lage ist,
den Einfluss der psychoakustisch wichtigen Größen Tonalität und Lautheit und deren Einfluss auf unterschiedliche Flugverfahren auszuwerten.
Hierdurch wird eine bessere Unterscheidung der Auswirkungen des Gesamtlärms verschiedener Flugzeuge und Flugverfahren ermöglicht. Bei
der allgemein üblichen Verwendung von dBA-Werten kann es zu einer beträchtlichen Überschätzung von Lärmreduzierungs-maßnahmen kommen.
Die Auswertung von synthetisch simuliertem Lärm zeigt beispielsweise,
dass für verschiedene Triebwerksanordnungen Unterschiede in Lautheit
und Tonalität nachgewiesen werden können.
Vergleich von Lärmteppichen des Anflugs eines Airbus A320-200.
Links: Standard Anflug; rechts: Continuous Descent Anflug
Zur Erreichung der Ziele arbeiten 64 Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus der EU und EU-nahen Staaten zusammen.
Bei der Integration verschiedener neuer Technologien ist es unerlässlich
deren Einfluss auf Leistung und Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems
Flugzeug zu überprüfen. Hierfür hat das ILR das Software-Tool MICADO
(Multidisciplinary Integrated Conceptual Aircraft Design and Optimization)
entwickelt, mit dem verschiedene Systeme modelliert und in das Gesamtsystem Flugzeug integriert werden können. Somit können komplexen Auswirkungen neuer Systeme auf den Flugbetrieb analysiert und der Mehrwert
dieser Technologien quantifiziert werden.
Tonalität aufgetragen über die Zeit bei dem Anflug einer Boeing 777-300.
Links: Standard Anflug; rechts: Continuous Descent Anflug
»» Flugzuglärmforschung
Flugzeuglärm und seine Auswirkungen sind ein ernsthaftes Problem für
Anwohner von Flughäfen. Eine Lärmreduzierung kann nicht nur an der
Quelle, z.B. durch neue oder verbesserte Triebwerke, sondern auch durch
lärmmindernde Flugverfahren erreicht werden. Die bisherigen Analysen
haben sich vor allem auf möglichst niedrigere Dezibelwerte und daraus gebildete gewichtete Durchschnittswerte konzentriert. Solche Durchschnittswerte können allerdings Komponenten der ganzen Charakteristik des
Flugzeuglärms, wie z.B. dem tonalen Anteil, verbergen. Die diesbezüglich
aktuelle Forschung am ILR basiert auf den Ergebnissen des interdisziplinären Projekts zur Modellierung und Simulation von Flugzeuglärm – Virtual
Air Traffic System Simulation (VATSS). Durch diese Forschung hat das
ILR Kompetenzen erlangt, die über die Auswertung der derzeitigen durchschnittsbasierten Parameter hinausgeht.
201
»» Lammering, Tim; Franz, Katharina; Risse, Kristof; Hörnschemeyer,
Ralf; Stumpf, Eike:
Aircraft Cost Modeling for Preliminary Design Synthesis;
In: 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons
Forum and Aerospace Exposition : 09 - 12 January 2012, Nashville,
Tennessee. - Reston, Va. : AIAA, 2012. - ISBN: 978-1-60086-936-5, AIAA
2012-0686, S./Art.: 21 S.
»» Franz, Katharina; Lammering, Tim; Risse, Kristof; Anton, Eckhard;
Hoernschemeyer, Ralf:
Economics of Laminar Aircraft Considering Off-Design Performance;
In: 8th AIAA Mutlidisciplinary Design Optimizations Specialist Conference,
23.-26. April 2012, Honolulu, Hawaii, 2012.
»» Lammering, Tim; Anton, Eckhard; Risse, Kristof; Franz, Katharina;
Hoernschemeyer, Ralf:
Influence of Offdesign Performance on Design Synthesis of Laminar
Aircraft;
In: Journal of Aircraft. - 49 (2012) 5, S./Art.: 1324-1335
»» Wolf, Claus Christian; Hörnschemeyer, Ralf:
Tomographic Particle Image Velocimetry Measurements in a Bluff-Body
Wake Flow;
In: AIAA journal. - 50 (2012) 12, S./Art.: 2899-2907.
»» Sahai, Abhishek Kumar; Anton, Eckhard; Stumpf, Eike; Wefers,
Frank; Vorländer, Michael:
Interdisciplinary Auralization of Take-off and Landing Procedures for
Subjective Assessment in Virtual Reality Environments;
In: 18th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (33rd AIAA Aeroacoustics
Conference), 4–6 June 2012, Coloardo Springs, USA. - AIAA, 2012, S./
Art.: 16 S.
202
Institut für
Allgemeine Mechanik
Methodenentwicklung und mehrachsige experimentelle Untersuchung zur
Bestimmung von:
»» Belastungsgrenzen von Strukturen und Werkstoffen
»» Finite Elemente
»» Berechnungen von Optimierungsproblemen
»» technische Anwendungen im Maschinenwesen und Druckbehältebau.
Modellierung von Verbundwerkstoffen:
»» Theoretische und numerische Homogenisierungstechniken
»» Versagen von Verbundwerkstoffen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. (UA)
Dieter Weichert
IAM - Institut für Allgemeine Mechanik
Templergraben 64
52056 Aachen
Tel.: +49 241/80-94600
Fax: +49 241/80-92231
Biomechanik mit Schwerpunkten auf den Gebieten Modellierung von
Weichteilmaterialien:
»» Modellierung von Knorpel einschließlich des Remodelling-Verhaltens,
Remodelings von Knochen
»» experimentelle Validierung an Materialprüfmaschinen
»» Entwicklung von Bioreaktoren
»» Implantatenentwicklung
Dünnwandige Strukturen unter Stoßwellenbelastung - Theoretische Modellierung, numerische Approximation und experimentelle Validierung:
»» Elasto-viskoplastische Beschreibung des Materialverhaltens einschließlich anisotroper Materialschädigung bei hohen Dehnraten
»» Anwendung auf geometrisch nichtlineare Strukturdeformationen
»» Entwicklung von Strukturmodellen mit Gradientenplastizität
»» Kurzzeitmessungen an Stoßwellenrohren zur Verifikation der Berechnungsergebnisse
Form- und Schwingungskontrolle aktiver Strukturen („smart structures“) im
geometrisch und physikalisch nichtlinearen Bereich:
»» Modellierung mit Hilfe der Platten und Schalentheorie
»» Entwicklung statischer und dynamischer Finite Elemente Methoden
»» experimentelle Untersuchung piezoelektrischer und
magnetostriktiver Materialien
»» Berücksichtigung des nichtlinearen hysteretischen Materialverhaltens
[email protected]
www.iam.rwth-aachen.de
Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen sowie 15 weitere Studiengänge
»» Schwerpunkte
Statik, Festigkeitslehre, Dynamik, Strukturmechanik, Biomechanik, Grenzlastanalyse, Smart Structures, Verbundwerkstoffe
»» Personal
Hochtemperatur-Werkstoffmechanik (FZ Jülich):
»» Charakterisierung und Optimierung von Wärmedämmschichtsystemen für Gasturbinen
»» Entwicklung höchstwarmfester Stähle sowie von Höchstleistungs-AlLegierungen für Verbrennungsmotorkolben
»» keramische Membranwerkstoffe für Kraftwerke mit
CO2-Sequestration.
203
»» Einspielverhalten von Strukturen
»» Biomechanik
Bauelemente aus Verbundwerkstoffen finden eine breite Anwendung im Maschinenbau und Bauingenieurwesen. Die Bestimmung
der Belastungsgrenzen über den elastischen Bereich hinaus ist dabei eine entscheidende Aufgabe. In Verbindung mit der Homogenisierungtheorie, der Grenzlast- und Einspieltheorie (Limit and Shakedown Analysis) kann die Beanspruchbarkeit der heterogenen
Strukturen abgeschätzt werden. Diese Vorgehensweise lässt sich auch auf
die Frage des lokalen Versagens durch Materialschädigung übertragen.
In der Forschungsgruppe Biomechanik steht die Optimierung von regenerativem Weichteilgewebeersatz im Mittelpunkt. Hierzu ist die Entwicklung theoretischer Modelle erforderlich, die die mechanisch-biologischen
Wechselwirkungen der zellulären Materialien einbeziehen. Basierend auf
dieser Modellbildung können die Evolutionsprozesse über einen bestimmten Kultivierungszeitraum numerisch simuliert werden. Zur experimentellen
Validierung dieser berechneten Resultate werden Bioreaktoren entwickelt,
die eine dynamische Stimulation von Gewebeproben unter Kultivierungsbedingungen zulassen. Hierzu werden Bioreaktoren für Knorpel, Bandscheiben und Membranen mit Zellstrukturen entwickelt, die unter möglichst
physiologischen Bedingungen über einen mehrwöchigen Zeitraum gelagert
werden. Hierzu können Experimente in dazu entwickelten Bioreaktoren unter zyklischer Druckbelastung durchgeführt werden. Um möglichst physiologische Belastungsbedingungen zu erzeugen, können außerdem in einem
Knieprüfstand mit künstlichen Kniegelenken überlagerte Belastungen aus
Stauchung, Roll-Gleit- sowie Torsionsbewegungen erzeugt werden.
Einheitszelle
Druckprüfbioreaktor (CompReac)
Biaxiale Spannungsverteilungen
Knieprüfbioreaktor (KneeReac)
204
»» Nguyen A.D., Stoffel M., Weichert D.:
A gradient-enhanced damage approach for viscoplastic thin-shell structures subjected to shock waves,
Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 217-220, 236246, 2012
»» Stoffel M., Yi J.H., Weichert D., Zhou B., Nebelung S., Müller-Rath R.,
Gavenis K.:
Bioreactor cultivation and remodelling simulation for cartilage replacement
material,
Medical Engineering & Physics 34, 56-63, 2012.
»» Chen, M.; Hachemi, A.; Weichert, D.:
Shakedown analysis of periodic composites with kinematic hardening
material model.
Proc. Appl. Math. Mech.: 12, 271-272 (2012).
»» Chen, M.; Hachemi, A.; Weichert, D.:
Limit loads for structural elements made of heterogeneous materials.
Proc. ASME 2012, Pressure Vessels & Piping Division Conference,
PVP2012, July 15-19, Toronto, Ontario, 2012
»» Stoffel M., Zhou B., Weichert D.:
Entwicklung von Finite Elemente Modellen für Knorpelersatzmaterial,
Der Orthopäde 41, 837-843, 2012.
205
Aachener
Verfahrenstechnik
Chemische
Verfahrenstechnik
Matthias Wessling
AVT.CVT - Aachener Verfahrenstechnik
Chemische Verfahrenstechnik
Die Kernkompetenz des Lehrstuhls für Chemische Verfahrenstechnik liegt
in der Entwicklung und Anwendung von Membrantechnik für aktuelle globale Herausforderungen.
Die Projekte der AVT.CVT sind in vier Forschungscluster gegliedert:
Turmstraße 46
52056 Aachen
Tel.: +49 241/80-95470
Fax: +49 241/80-92252
[email protected]
Verfahrenstechnik, Umweltingenieurwissenschaften
»» Schwerpunkte
Membrantechnik, Chemische Verfahrenstechnik, Umweltschutz
»» Personal
»» Sustainable Processes (SusPro)
»» Electrons to Chemicals (e2chem)
»» Physics of Fouling (PoF)
»» Adaptive, interactiveMembranes (Adact)
In allen Forschungsfeldern finden sowohl Grundlagenforschung als auch
Anwendungsstudien im Labormaßstab statt.
Unter SusPro fallen Projekte wie die Entwicklung eines neuen Enthalpietauschers für die Gebäudeklimatisierung, das Upgrading von Biogas, die
Entwicklung und Untersuchung von neuen, umweltfreundlicheren Verfahren für die Wasseraufbereitung oder die Verarbeitung von nachwachsenden Rohstoffen mittels Elektrodialyse.
Die e2chem-Gruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Technologien zur Synthese von Plattform- und Feinchemikalien unter Nutzung von
elektrischem Strom, bevorzugt aus regenerativen Quellen. Ein weiteres,
damit verwandtes Forschungsgebiet ist die Entwicklung neuartiger Energiespeichersysteme für regenerative Energie.
In der PoF-Gruppe werden die physikalischen Grundlagen des Foulings
mit optischer Analyse und präziser Kontrolle der Filtrationsbedingungen
untersucht. Unter Fouling versteht man die Bildung einer Deckschicht auf
der Oberfläche einer Membran während der Filtration. Dieses Phänomen
beeinträchtigt die Filtrationsleistung erheblich. Vielfältige, häufig energieintensive Maßnahmen werden ergriffen, um diesen Effekt zu verhindern. Ziel
der Forschung der PoFGruppe ist es, das komplexe Zusammenspiel aus
Kolloiden, Strömungen und Membranoberflächen zu verstehen.
Adact ist eine Fusion aus „Adaption“ und „Interaction“. In dieser Gruppe
werden Membranen hergestellt und untersucht, deren Funktionalität über
das Filtern durch normale Poren hinausgeht. Diese neuartigen Membranen ändern ihr Funktionsprinzip gezielt durch Wechselwirkungen mit der
Umgebung.
206
Die Herausforderung moderner Verfahrenstechnik ist die Entwicklung von
Prozessen, die wirtschaftliche, energetische und umweltpolitische Aspekte
gut vereinen. Interessant für die Forschung sind daher zum einen Prozesse mit großen Volumenströmen und hohem Energieaufwand, sei es in der
Wasseraufbereitung oder der petrochemischen Industrie, zum anderen
aber auch die Entwicklung von effizienten Methoden zur Aufbereitung von
Stoffströmen, die besonders toxische oder teure Chemikalien enthalten.
Solche Prozesse lassen sich häufig durch den Einsatz von Membrantechnik optimieren.
Ein wichtiger großtechnisch umgesetzter Einsatzbereich von Membrantechnik ist die Wasseraufbereitung. Ein häufiges Problem bei der Ultrafiltration von Oberflächenwasser ist die sich bildende Foulingschicht auf der
Feedseite der Membran. Regelmäßige Permeatrückspülung der Membran
ist bisher die verbreitetste Methode zur Abtragung der Foulingschicht. In der
Arbeitsgruppe von Prof. Wessling wurde eine neue und ebenso wirksame
Methode zur Foulingverminderung entwickelt. Durch Öffnen und abruptes
Schließen eines permeatseitigen Ventils werden Druckschwankungen im
Membranmodul erzeugt, welche zur Abtragung der Foulingschicht führen
und allgemein als „water hammer“ bekannt sind.
Filtrationszyklen bei einem Fluss von 185 l/(m² h). Das Ventil ist dabei
intervallweise 0,75 s lang geschlossen und 10 s geöffnet.
Für die Studie wurde Oberflächenwasser im cross flow (5 %) Betrieb durch
Hohlfaser-Ultrafiltrationsmembranen filtriert. Die Filtrationsexperimente
wurden oberhalb des kritischen Flusses (>125 l (m²h)-1) durchgeführt. Die
Ergebnisse belegten, dass der periodische Ventilverschluss das Fouling
reduziert und die Leistungsfähigkeit der Filtration verbessert.
Weiterhin zeigte die Studie, dass der Effekt vom Fluss und der Schaltfrequenz des Ventils beeinflusst wird. Die Dauer, in der das Ventil geschlossen
ist, wirkt sich hingegen nicht auf die Filtration aus. Die Verminderung des
Foulings ist somit ausschließlich eine Folge der erzeugten Druckschwankungen. Hochfrequente Messungen des dynamischen Drucks zeigten,
dass die Druckschwankungen 0,1 bar betragen. Zudem wurde bestätigt,
dass die Verwendung höherer Flüsse in höheren Druckschwankungen resultiert was im Einklang mit der „water hammer“ Theorie steht. Außerdem
gezeigten die Experimente, dass der „water hammer“ bei höheren Flüssen
wirksamer in Bezug auf die Foulingverminderung ist.
Hochfrequenz Messungen des dynamischen Drucks während der Filtrationsversuche für Flüsse von 125 bis 300 l/(m² h). Das Ventil ist dabei
intervallweise 0,75 s lang geschlossen und 10 s geöffnet.
207
Die Trennung von gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen ist
einer der teuersten und energieaufwändigsten Trennprozesse in der petrochemischen Industrie. Olefin-Paraffin-Paare mit gleicher Kettenlänge werden üblicherweise durch Destillation getrennt. Da sich die Dampfdrücke der
beiden Komponenten nur geringfügig unterscheiden, sind für diese Trennung aufwändige mehrstufige Destillationsprozesse in riesigen Kolonnen
nötig. Aus wirtschaftlichen und umweltpolitischen Gesichtspunkten wäre
daher ein Verfahren sehr erstrebenswert, das Olefin-Paraffin-Mischungen
wie Propen und Propan mit geringerem Energieaufwand trennt.
Für diese Trennaufgabe wurde an der AVT.CVT ein neuartiger Membrantyp entwickelt. Poröse, mehrschichtige Trägerstrukturen werden hierzu
mit dem Salz [Ag]+[Tf2N]- gefüllt, das bei Kontaktierung mit Propen einen
flüssigen Komplex bildet. Die so entstandene ionische Flüssigkeit füllt die
Poren des Trägers ganz aus. Das Gasgemisch kann also nur durch diesen
Flüssigkeitsfilm auf die andere Seite der Membran gelangen. Zusätzlich zu
dem für beide Komponenten möglichen Transport durch Diffusion, kann
Propen auch durch einen Carrier-Mechanismus in dem Salz-PropenKomplex transportiert werden. Durch diesen schnellen und sehr selektiven
Transportmechanismus entsteht eine Membran, die in Bezug auf Selektivität und Fluss neue Maßstäbe setzt. Wenn die Gasatmosphäre nicht genügend Propen für die Komplexierung enthält rekristallisiert die ionische
Flüssigkeit und in der Membran entstehen Defekte. Durch einen Selbstheilungsprozess bei erneutem Kontakt mit Propen wird die Membran wieder
vollständig regeneriert.
Bei Auslegung von Apparaten zur Extraktion besteht ein Hauptziel darin,
eine möglichst große Kontaktfläche zwischen zwei nicht mischbaren Stoffen zu erzeugen, damit der Übergang der gelösten Stoffe verbessert wird.
Üblicherweise erhält man diese Austauschfläche indem man eine Phase
in die andere dispergiert, zum Beispiel als Tröpfchen. Im Gegensatz dazu
erzielen Membrankontaktoren eine stabile Trennung der Phasen über eine
poröse oder dichte Membran und ermöglichen so einen größeren Bereich
hydraulischer Betriebsbedingen abzufahren. Aufgrund der auf das Volumen
bezogenen sehr großen Stoffaustauschfläche und der damit einhergehenden höheren Stoffaustauschkoeffizienten können membranbasierte Apparate effizienter als herkömmliche betrieben werden.
An der AVT.CVT wird im Rahmen von Anwendungen im Bereich der Extraktion an der Entwicklung von 4-End-Spiralwickelmodulen geforscht. In
diesem Anwendungsbereich werden verstärkt Membranspacer eingesetzt,
die den Druckverlust, Massentransport und die Vermischung im System
verbessern sollen. Zusätzlich wird an der Entwicklung verschiedener Permeatkanäle gearbeitet, die in Bezug auf Stofftransport-limitierenden Oberflächenreaktionen untersucht werden. Die aus der experimentellen Arbeit
gewonnenen Erkenntnisse wurden zum Design eines 4-End-Spiralwickelmoduls genutzt, das kaum Totvolumina und geringere Vermischungsstörungen aufweist. Diese neuen Module wurden anschließend erfolgreich in
der Reaktivextraktion von Phenolen aus wässrigen Lösungen angewendet.
Syntheseschritte bei der Herstellung neuartiger Membranen aus ionischen
Flüssigkeiten
Gleich-/ Gegenstrom- (links) und Kreuzstrom- (rechts) Flussbild
Die Richtung des Feedstroms kann dabei auch umgekehrt werden.
208
»» C. Bayer et al.:
On the Design of a 4-End-Spiral-Wound L/L Extraction Membrane Module,
Ind. Eng. Chem. Res., 52 (2013) 1004-1014.
»» F. Broens et al.:
Water hammer reduces fouling during natural water ultrafiltration,
Water Res., 46 (2012) 1113-1120.
»» F. Pitsch et al.:
An Adaptive Self-Healing Ionic Liquid Nanocomposite Membrane for
Olefin-Paraffin Separations,
Adv. Mater., 24 (2012) 4306-4310.
209
Biotechnologie
Systembiotechnologie
Univ.-Prof. Dr.rer.nat.
Wolfgang Wiechert
Institut für Bio- und Geowissenschaften
IBG-3 Biotechnologie
Themenbereich: Systembiotechnologie
52425 Jülich
Tel.: +49 2461/61-3118
Fax: +49 2461/61-3870
[email protected]
www.fz-juelich.de
Verfahrenstechnik, Computational Engineering
»» Schwerpunkte
Systembiologie, Biotechnologie, Synthetische Biologie
»» Personal
Das Institut IBG-1: Biotechnologie am Forschungszentrum Jülich arbeitet
an der Entwicklung biotechnologischer Produktionsprozesse für Grundund Fein-Chemikalien, Pharmazeutika und Proteine.
Das Themengebiet „Systembiotechnologie“ unter Leitung von Prof. Wiechert nutzt eine systembiologische Messplattform (Metabolomics, Fluxomics, Proteomics) in Verbindung mit Ingenieuransätzen (Prozesstechnik,
Automatisierung, Modellbildung), um eine zielführende Prozessentwicklung in kürzeren Zeiträumen zu ermöglichen.
In der Lehre wird das Themenfeld der Modellierung, Simulation und Datenauswertung in der Systembiologie im Rahmen des Aachener AVT-Lehrstuhls für „Computational Systems Biotechnology“ vertreten.
Am Jülicher Institut werden sowohl ganzzellbasierte als auch zellfreie Ansätze verfolgt. Als zentrale Werkzeuge werden quantitative bioanalytische
Methoden und mathematische Modelle sowohl zur detaillierten Charakterisierung der komplexen biochemischen Netzwerke in einer lebenden Zelle
als auch für die Untersuchung ganzer Bioprozesse eingesetzt. Die rationale Entwicklung von Enzymtoolboxen für die kombinatorische Biosynthese
erschließt neue chirale Moleküle für die industrielle Biotechnologie bis hin
zur zukünftigen Etablierung synthetischer Stoffwechselwege (Synthetische
Biologie).
Komplementiert werden die Arbeiten durch die Entwicklung mikrofluidischer Apparaturen für die Einzelzellanalyse, wozu neuartiger Fluoreszenzsensoren eingesetzt werden.
210
»» Einzelzelluntersuchungen in Picoliter-Bioreaktoren
»» Modellierung und Simulation von Chromatographieprozessesn
Die am IBG-1 entwickelten Picoliter-Bioreaktoren wurden zur Kultivierung
von verschiedenen Organismen eingesetzt. Insbesondere Corynebacterium glutamicum zeigte auffallend hohe Wachstumsraten. Im direkten
Vergleich mit konventionellen Schüttelkolben und Bioreaktoren, konnte
unter kontinuierlichen Durchflussbedingungen im Mikrochip, die 1,5 fache
Wachstumsgeschwindigkeit gemessen werden (vgl. Biopressentwicklung).
In der Biotechnologie ist Zellwachstum ein wichtiger Performanceindikator
und daher für die Effizienz biotechnologischer Produktionsprozesse von
entscheidender Bedeutung.
Die in den letzten Jahren mit dem in Jülich entwickelten Zonalen Ratenmodell (ZRM) für die Membranchromatographie gewonnenen Erkenntnisse zu
inhomogenen Flussverteilungen in Kapseln für die Membranchromatographie wurden mit Hilfe von MRI-Messungen und CFD-Simulationen bestätigt
und untermauert. Dabei hat sich gezeigt, dass die Trennleistung von sehr
unterschiedliche Faktoren beeinflusst wird, abhängig von der Modulgröße
(Labor oder Produktion), der internen Konfiguration (axialer oder radiale
Strömungsführung) und der Prozessbedingungen (bindende oder nicht bindende Bedingungen). Diese Einflüsse konnten umfassend systematisiert,
quantifiziert und experimentell validiert werden, so dass die entwickelten
Modelle nun für die Vorhersage von Skalenwechseln und Designänderungen verwendet werden können.
Wachstum von Corynebacterium glutamicum Wildtyp in verschiedenen
Kultivierungs-Skalen auf definiertem Glucose-Medium
Picoliter-Bioreaktor für die Kultivierung von Mikroorganismen auf Einzelzellniveau. A) Inokulationsphase; B) Wachstumsphase und C) „Überlauf“
Phase
»» Quantitative Metabolomanalyse
»» Metabolische 13C Stoffflussanalyse
Die in den vergangenen Jahren kontinuierlich weiterentwickelten und optimierten analytischen Methoden zur Quantifizierung intrazellulärer Metabolite wurden erstmals im Rahmen einer größeren Studie zur Messung extrazellulärer Metabolite (sogenanntes Exometabolom) eingesetzt. Hierbei
zeigte sich bei allen untersuchten Organismen eine starke Anhäufung von
Zentralstoffwechsel-Intermediaten und Aminosäuren während der Kultivierung im Bioreaktor unter Glukose-Überschussbedingungen. Als wesentliches Ergebnis wurde dabei ein neues Stoffwechsel-Phänomen abgeleitet,
der „Erweiterte Überfluss-Metabolismus“. Daraus ergibt sich eine Reihe
von direkten Konsequenzen sowohl für die intrazelluläre Metabolit-Quantifizierung als auch für die isotopenbasierte Stoffflussanalyse.
Das Softwaresystem 13CFLUX2 für die Modellierung, Simulation und Auswertung von Isotopen-Markierungsexperimenten wurde der wissenschaftlichen Community zur Verfügung gestellt. Die Software wird bereits in 40
akademischen Arbeitsgruppen und zwei Unternehmen eingesetzt. Mit mehreren 100.000 Zeilen Code ist 13CFLUX2 derzeit das umfangreichste und
performanteste System dieser Art. Die Grundlagen der 13C-basierten SFA
sowie der Umgang mit 13CFLUX2 wurden im „Second Advanced Course
on13C-based Metabolic Flux Analysis“ vermittelt, an dem 14 Teilnehmer
aus sechs Ländern (incl. USA) teilnahmen.
MRI-Messung der asymmetrischen Struktur im Inneren einer Kapsel für
die Membran-Chromatographie (links) und CFD-Simulation der resultierenden Strömungsverhältnisse in dieser Kapsel (rechts).
Optimale Stoffflussverteilung für die anaerobe Bildung von Succinat mit
C. glutamicum
211
»» Francis, P., von Lieres, E., Haynes, C.:
Zonal rate model for stacked membrane chromatography part II: characterizing ion-exchange membrane chromatography under protein retention
conditions
Biotechnology & Bioengineering, 109: 615 – 629 (2012)
»» Grünberger, A. ; Paczia, N. ; Probst, C. ; Schendzielorz, G.*; Eggeling,
L.*; Noack, S. ; Wiechert, W. ; Kohlheyer, D.:
A disposable picolitre bioreactor for cultivation and investigation of industrially relevant bacteria on the single cell level
Lab on a chip 12, 2060 – 2068 (2012)
»» Paczia, N., Nilgen, A., Lehmann, T., Gätgens, J., Wiechert, W., Noack,
S.:
Extensive exometabolome analysis reveals extended overflow metabolism
in various microorganisms
Microbial Cell Factories, 11(1): 122 (2012)
»» Grünberger, A.; van Ooyen, J.*; Paczia, N.; Rohe, P.; Schiendzielorz,
G.*; Eggeling, L.*; Wiechert, W.; Kohlheyer, D.; Noack, S.:
Beyond Growth Rate 0.6: Corynebacterium glutamicum Cultivated in
Highly Diluted Environments
Biotechnology and Bioengineering, in press (2012)
»» Droste, P. ; Wiechert, W. ; Nöh, K.:
Semi-automatic drawing of Metabolic networks
Information Visualization 11, 171 - 187 (2012)
212
für Kraftwerkstechnik
Dampf- und
Gasturbinen
Das Institut für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen (IKDG) befasst
sich mit der Analyse und Bewertung von Energiewandlungssystemen, mit
der Erforschung und Optimierung von Dampf- und Gasturbinen sowie mit
Nebenanlagen für Kraftwerksanwendungen und deren Integration in den
Kraftwerksprozess.
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.
Manfred Wirsum
Das IKDG verfügt über eine Reihe leistungsstarker Prüfstände, in denen
Verbrennungsprozesse in Gasturbinenbrennkammern sowie Strömungsund Wärmeübergangsphänomene in Dampf- bzw. Gasturbinen, zum Beispiel Sekundärströmungen im Schaufelkanal und Leckageströmungen in
den Labyrinthen von Deckbandbeschaufelungen sowie deren Interaktion,
untersucht werden können. Ziel dieser Untersuchungen ist die Optimierung
der Turbinenaerodynamik und die Charakterisierung von Verlustmechanismen. Ebenso sind Kondensationsvorgänge in Niederdruckdampfturbinenstufen Gegenstand theoretischer und experimenteller Untersuchungen.
Templergraben 55
52056 Aachen
Durch die neuen Anforderungen an die Stromerzeugung werden verstärkt
Forschungsaktivitäten im Bereich der Prozessentwicklung und -optimierung neuartiger Kraftwerksprozesse und Speichertechnologien, sowie im
Bereich der Verbrennung von wasserstoffreichen Brenngasen in Gasturbinen verfolgt. Die Untersuchungen der Verbrennungsprozesse zielt auf die
Reduzierung von Schadstoffemissionen und Verbrennungsinstabilitäten
ab.
Neben experimentellen und numerischen Untersuchungen beschäftigt sich
das Institut mit Kraftwerkssimulationen. Hierbei wird die Wechselwirkung
der einzelnen Maschinen in einem komplexen Energiewandlungssystem
analysiert, um daraus Strategien für die Optimierung der Gesamtanlage
und der Komponenten ableiten sowie dezentralisierte und hybride Technologien bewerten zu können.
IKDG - Lehrstuhl und Institut für Kraftwerkstechnik
Dampf- und Gasturbinen
Tel.: +49 241/80-25451
Fax: +49 241/80-22307
[email protected]
www.ikdg.rwth-aachen.de
Bachelor - Berufsfeld Energietechnik,
Master - Energietechnik mit Vertiefungen Kraftwerkstechnik und Turbomaschinen /Strahlantriebe
»» Schwerpunkte
Stationäre Gasturbinen, Dampfturbinen, Kraftwerkstechnik, Kraftwerksprozesse, Abgasturbolader
»» Personal
213
»» AG-Turbo 2020
Neuartige Seitenwandprofile zur Wirkungsgradsteigerung
»» Ziel 2 - Projekt
Simulationsunterstützte Betriebsoptimierung von Solarturmkraftwerken
Eine vielversprechende Maßnahme zur Optimierung von Hoch- und Mitteldruckdampfturbinen mit sog. Deckbandbeschaufelungen liegt in der Konturierung der Seitenwand des Strömungskanals. Eine dreidimensionale Anpassung der geometrischen Form der Turbinengitter und der Seitenwände
hat ein erhebliches Potenzial zur Verminderung von Sekundärströmungsverlusten und Mischungsverlusten durch die Leckage-/HauptströmungsInteraktion.
Das IKDG ist im Rahmen des SiBops-Projekts an der Entwicklung eines
Betriebsassistenzsystems für das Solarturmkraftwerk in Jülich beteiligt.
Die gezielte Auslegung einer Seitenwandkonturierung und der Geometrieform des Schaufelblattes bedarf verbesserter numerischer Simulationsverfahren, deren Modelle durch intensive experimentelle Untersuchungen
validiert weren müssen. Die aerodynamischen Verluste werden in großem
Ausmaß von Sekundärströmungen hervorgerufen. Bei diesen handelt es
sich um stark dreidimensional geprägte Strömungsvorgänge, deren Darstellung zur Optimierung der Beschaufelungen einen großen Beitrag leistet.
Im Rahmen des Projektes soll eine quantitative Bewertung der Verbesserung der Strömung im Hinblick auf die nachstehend genannten Ziele durch
einen Vergleich von herkömmlichen mit seitenwandkonturierten Beschaufelungen erfolgen:
»» Reduzierung der Strömungsverluste in den Kavitäten der Dichtlabyrinte der Deckbänder
»» Reduzierung der Mischungsverluste von Leckage- und Hauptströmung
»» Reduzierung der Strömungsverluste im Hauptströmungskanal, insbesondere im seitenwandnahen Bereich
Das effiziente Fahren solcher Kraftwerke stellt selbst erfahrene Kraftwerksfahrer vor große Herausforderungen. Es ist nicht offensichtlich welche
Fahrweise unter den jeweils aktuellen Bedingungen einen effizienten und
wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht. Um den Kraftwerksfahrer bei seinen
Entscheidungen hinsichtlich der aktuell bestmöglichen Fahrweise zu unterstützen, soll ein Betriebsassistenzsystem entwickelt und installiert werden.
Hierzu werden auf Basis einer dynamischen Simulation des Kraftwerks mit
Hilfe von Optimierungsalgorithmen definierte Zielfunktionen optimiert. Als
einfache Beispiele für solche Zielfunktionen können der elektrische Wirkungsgrad des Kraftwerks sowie der über den Stromverkauf erzielte monetäre Gewinn genannt werden.
Das Betriebsassistenzsystem macht entsprechend der gewählten Zielfunktion einen Vorschlag zur hierfür optimalen Betriebsweise des Kraftwerks,
gibt dem Kraftwerksfahrer also die erforderlichen Stelleingriffe vor.
Schema eines Solarturmkraftwerks mit Wasser/Dampf-Kreislauf
Versuchsturbine zur Untersuchung von Strömungsphänomenen in 3DDeckbandbeschaufelungen
214
»» Erforschung der Verbrennungsinstabilitäten bei der Vormischverbrennung
Aufgrund der gestiegenen Anforderungen an Gasturbinen hinsichtlich des
Emissionsverhaltens und der effizienteren Nutzung des Brennstoffs wurden die Verbrennungsverfahren im Laufe der letzten Jahrzehnte dahingehend verbessert.
Als Schlüssel dazu dient die Absenkung der Verbrennungstemperatur durch
die magere Vormischverbrennung bei hohem Luftüberschuss. Gleichzeitig
wurden die Verbrennungssysteme dahingehend optimiert, in einem kleinen Bauvolumen große Energiemengen umzusetzen. Beides führt dazu,
dass auftretende Instabilitäten in den Verbrennungsvorgängen aufgrund
von Inhomogenitäten in der Zuströmung von Luft und Brennstoff und in
der Mischung zu einer akustischen Anregung des Systems und aufgrund
der hohen Energiedichten zu sehr hohen Schalldruckamplituden führen
können. Die Neigung zu den thermoakustisch induzierten Verbrennungsinstabilitäten macht es notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, die in diesen
Mechanismus eingreifen und das System stabilisieren.
Das IKDG betreibt dazu einen Vormischbrennkammer-Prüfstand kleiner
Leistung (Pth < 100 kW), an dem diese Phänomene untersucht werden.
Ziel dieser Forschung ist es, das Systemverhalten genau zu verstehen,
die Ursachen für das Auftreten von Brennkammerschwingungen in vorgemischten Verbrennungssystemen zu identifizieren und Methoden zu entwickeln, die diese gezielt zu beeinflussen.
Ein vielversprechender Ansatz ist es, der Brennstoffzufuhr durch eine Aktorik ein zeitliches Muster aufzuprägen, was in einer gezielten Schwankung
der Brennstoff-/Luftmischung und somit in der Wärmefreisetzung in der
Brennkammer resultiert. Es konnte damit bereits gezeigt werden, dass es
zu einer signifikanten Reduktion der Schalldruckamplitude und zu einer
Verbesserung des Emissionsverhaltens kommt.
Brennkammerprüfstand zur Untersuchung von Verbrennungsinstabilitäten
215
»» Stephan Schwab, Dominik Wendland, Manfred Wirsum, Michael Sell:
Einflüsse von Seitenwandkonturierungen und Leckageinteraktion auf den
Wirkungsgrad von Turbinen mit Deckbandbeschaufelungen,
13. Statusseminar AG-Turbo, Köln, 3./4.12.2012
216
FakultÄt für Maschinenwesen
Rwth Aachen university
www.maschinenbau.rwth-aachen.de

Forschungsbericht 2012 - RWTH Aachen University Library

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