Programm

Reliable detection and size assessment of stringer debonding in composite stiffened structures using ultra-wideband guided electromagnetic waves

Vittorio Memmolo | Goethe Uni, Uni Naples

The use of ultra-wideband guided electromagnetic waves for non-destructive testing and structural health monitoring has been investigated in the last few years thanks to the sensitivity to hidden damage and early detection capability. One of the most promising approaches relies on monitoring of microwave leakage in hollow waveguides. Among these applications, hollow carbon composite structures are a peculiar case because stringer debondings can be monitored accurately. The principle is to monitor the wave propagation characteristics within the cavity formed by the stringer and the airframe skin using transmission measurements. Changes in the transmission path, e.g. occurring from microwave leakage in the debonded region, can be assessed through a damage indicator approach.
To proof the reliability of this concept, a comprehensive experimental campaign was carried out, including careful testing of the measurement’s reproducibility and repeatability. A large-scale fuselage segment at DLR, the so-called SARISTU structure, was used for technology demonstration enabling stringer debonding detection with increasing severity validated by ultrasound testing. The results show that the microwave characteristics in the waveguide (stringer tunnel) is affected by the debonding conditions according to its severity and depth. In addition, extending the same approach on a number of test cases, a clear trend versus damage size was found showing the feasibility for probability of detection (POD) assessment. This allows designing a reliable structural health monitoring system based on guided electromagnetic waves trapped in the tunnel.

Cyber-Physical Condition Monitoring for abrasive wear in an industrial  application

Simon Mayr | Uni of Applied Sciences Upper Austria

The use of ultra-wideband guided electromagnetic waves for non-destructive testing and structural health monitoring has been investigated in the last few years thanks to the sensitivity to hidden damage and early detection capability. One of the most promising approaches relies on monitoring of microwave leakage in hollow waveguides. Among these applications, hollow carbon composite structures are a peculiar case because stringer debondings can be monitored accurately. The principle is to monitor the wave propagation characteristics within the cavity formed by the stringer and the airframe skin using transmission measurements. Changes in the transmission path, e.g. occurring from microwave leakage in the debonded region, can be assessed through a damage indicator approach.
To proof the reliability of this concept, a comprehensive experimental campaign was carried out, including careful testing of the measurement’s reproducibility and repeatability. A large-scale fuselage segment at DLR, the so-called SARISTU structure, was used for technology demonstration enabling stringer debonding detection with increasing severity validated by ultrasound testing. The results show that the microwave characteristics in the waveguide (stringer tunnel) is affected by the debonding conditions according to its severity and depth. In addition, extending the same approach on a number of test cases, a clear trend versus damage size was found showing the feasibility for probability of detection (POD) assessment. This allows designing a reliable structural health monitoring system based on guided electromagnetic waves trapped in the tunnel.

Structural Health Monitoring of Aerial Vehicles using Guided Electromagnetic Waves in K-band: Initial Damage Detection Results from Drone Flight Testing

Jochen Moll | Uni Siegen

This work introduces a novel structural health monitoring (SHM) approach based on guided electromagnetic waves propagating in a dielectric waveguide in the ultra-wideband frequency range from 20 GHz to 40 GHz. This approach enables the detection of structural damage based on the analysis of the scattering parameters in reflection mode (S11) and transmission mode (S21).
We will demonstrate the sensing approach by an experimental case study considering an autonomous heavy lift drone where the whole SHM system is integrated onboard. Therefore, the initial drone design has been modified to carry the novel vector network analyzer (VNA), serving as transmitter and receiver with excellent signal to noise parameters. The whole onboard data acquisition pipeline will be described and damage detection results based on a damage indicator methodology will be presented and discussed. Finally, this work proves the ability of guided electromagnetic wave technology to be used in flying aerial vehicles and could be applied to other aircraft structures in the future.

Development of shape-memory-alloy valves for fluidic applications

Kenny Pagel | IWU

Actuator systems based on shape memory alloys (SMA) offer many advantages compared to conventional drives: a significantly higher work density and the resulting lightweight design potential, simple design and noiseless operation Due to these special properties, SMA actuators are predestined for valve applications and have been particularly successful on the market in pneumatic systems for seat comfort applications. In the field of fluid valves, the first commercial products have recently been announced, addressing the areas of medical engineering and the food industry.
In this presentation, we present three different fluid valves regarding their design, construction, and measurement analyses. In detail, these are a single-switching spray valve for drone applications, a spray valve for clear vision systems and a bistable valve for applications in micro irrigation systems. Based on the very specific requirements for each application, actuator concepts and mechanisms are analysed and discussed in terms of their suitability. In particular, manufacturing aspects relating to injection moulding, additive manufacturing and automated assembly are also addressed. Based on this, for each valve type a preferred variant is chosen, designed in detail and assembled. The subsequent measurement analysis of the valves regarding force, stroke, dynamics and temperature application range concludes the process of requirements definition. As a result, it will be discussed to which extent the requirements exclude certain actuator principles and concepts from the very beginning, but also which design principles are particularly suitable for certain systems.

Integrated manufacturing of differently shaped dielectric elastomer stack transducers

Andreas Hubracht | TU Berlin

Dielectric elastomer transducers (DE transducers) have been researched for several years and are constantly being developed. In the basic structure, they consist of an elastic dielectric sandwiched between two compliant, electrically conductive electrodes. When an electrical voltage is applied to the electrode layers, a mechanical contraction of the dielectric layers occurs due to electrostatic attraction. There are numerous examples of applications for DE transducers, including their use as grippers in soft robotics or their innovative use as membrane loudspeakers.
In addition to a number of advantages compared to conventional actuators, such as the simultaneous use as actuator and sensor (self-sensing property) or the low weight, in particular the manufacturing poses an ongoing development. One production possibility is the usage of prefabricated elastomer films. The layer quality is advantageous in terms of its homogeneity, while the process of separating the elastomer film from the carrier layer is challenging. In this case, the polymer material used cannot be varied, which limits the production flexibility. Another approach for the production of DE transducers is the use of liquid polymers as raw material for their processing using a 3D printing system. Therewith, the elastomer layers can be produced in variable shapes and thicknesses, which increases flexibility but poses particular challenges due to the µm-scale. Rapid prototyping enables time-efficient development in industry and broad research opportunities in science.
For this purpose, an additive manufacturing system with multiple printing processes was established at the department EMK at TU Berlin. The aim of this contribution is to show the feasibility of printing a significant count of layers using the Direct-Ink-Writing (DIW) technology. During production, the dielectric layer quality is of particular importance, which can be characterized on the one hand by the homogeneity of the layer thickness (target ≤ 40 µm), and on the other hand by the electrical breakdown field strength. The electrode layer is applied using a droplet-based microdispensing system. To point out the flexibility of the 3D printer, various base shapes (square, triangle and circle) will be investigated. Finally, the printed stack actuator will be characterized electromechanically.

HASEL actuators in soft structures for robot gripping applications

Johannes Ehrlich | ISC

HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing ELectrostatic) actuators are a new class of smart actuators with a unique weight to power ratio driven by an electric field. The HASEL actuator consists of two polymer films (PET, TPU etc…), sealed to a pouch and filled with an insulating oil. The polymer films of the sealed pouch are partially coated with a pair of electrodes on the outer sides, inspired and known by the well-developed DEA actuator technology. An electric voltage, applied to the electrodes, forms an electric field and the electrodes attract each other, starting from the edge of the electrodes. The so-called zipping effect sets in and the insulating oil inside the pouch is moved to the area without electrodes and deforms the pouch. This macroscopic actuation effect leads to a high variation of very simple actuator designs for several applications. The authors of this paper present HASEL actuators with the area size of 20 mm x 30 mm, fabricated with a semi-automated sealing technology where four of these actuators are manufactured as a serial chain in one manufacturing step. The HASEL chains are inserted into a flexible 3D printed TPU support structure with a Shore A hardness of 95 which reflects the structure of a flexible finger of a robot gripper. Overall, 20 single HASEL actuators, split in 5 chains, are activated in series with a maximum driving voltage of 9 kV and bend the flexible support structure with an angle of 43° and an overall displacement of the finger tip of 21 mm. A softer 3D printed structure with a Shore A hardness of 60 improved the bending angle of the finger to 66° and the tip displacement to 24 mm. The so created flexible finger structure with integrated HASEL actuators is directly usable for soft grippers and soft robotics. The HASEL technology has a huge potential in combination with additional soft actuator mechanisms like electroadhesion for extending the range of portable loads and dielectric elastomer sensors for an improved object detection while gripping.

Collaborative Condition Monitoring – The ProKInect Showcase

Jonathan Millitzer | Fraunhofer LBF

Today’s modern machine tool operators demand the highest levels of machine availability and reliability. Quality deviations in the manufacturing process due to incipient wear or malfunction cannot be clearly assigned to a part or component using traditional approaches to preventive and predictive maintenance. Manufacturers, operators, and users of modern machine tools therefore need to understand the quality-determining interaction of many installed components and the machine tool itself, to detect changes in condition at an early stage and to proactively avoid production downtimes.
The aim of the BMBF joint project "ProKInect" is to increase the availability and reliability of production machines through automated condition monitoring with distributed and cross-company AI agents. Increased machine availability results directly from the avoidance of unplanned downtime due to machine or component defects that were previously not detected automatically. Using a 2D laser cutting machine as an example, the project implements an automated, manufacturer-independent condition monitoring system and a concept for predictive maintenance. The goal is to diagnose the condition and predict failure probabilities within the overall system based on a cooperative evaluation of initially fragmented and proprietary operating data of a rack and pinion drive system comprising motor information and a sensorized planetary gear box.
Based on reliability analyses, the paper illustrates the benefit-oriented AI development process leading to the technical architecture of the distributed, collaborative condition monitoring system. To increase trustworthiness, the technical solution uses explainable AI approaches that embed expert knowledge directly into AI models as well as protected data spaces.
The paper illustrates the support of maintenance personnel by means of an assistance system that predicts machine stillstand and diagnoses two exemplary root causes: backlash and improper leveling.

Geführte Wellen in einer Aluminium Platte unter Biegelast – Analytische und experimentelle Untersuchung

Jonas Brettschneider | Uni Siegen

Obwohl geführte Wellen großes Potenzial für die Strukturüberwachung verschiedenster Strukturen haben, bleibt die Interpretation von den Signalen piezoelektrischer Sensoren anspruchsvoll. Eine der wichtigsten Ursachen dafür ist der erhebliche Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Wellenausbreitung. Der Einfluss von Temperatureffekten ist bereits ausführlich erforscht und in der letzten Zeit wird dem Einfluss von Belastungen mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Während sich frühere Veröffentlichungen hauptsächlich auf uni- oder bidirektionalen Lasten konzentrierten, werden in diesem Vortrag die entwickelten Modelle um Biegebelastungen erweitern.
Nach einem Überblick über die analytischen Grundlagen der Akustoelastizität werden die abgeleiteten Gleichungen mit Hilfe der Partial-Wave-Method auf inhomogene elastische Biegebelastungen erweitert. Die Analyse wird mit Hilfe kürzlich publizierter Ergebnisse vervollständigt, die einen besseren physikalischen Einblick in die Ausbreitung geführter Wellen in verschiedenen Frequenzbereichen geben.
Der Schwerpunkt der vorgestellten Experimente liegt auf den fundamentalen S0- und A0-Moden der Lamb-Wellen. Zur Validierung der analytischen Ergebnisse wurde eine Aluminiumplatte mit piezoelektrischen Aufnehmern instrumentiert und mit unterschiedlichen Biegekräften belastet. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit der analytischen Theorie überein und zeigen den Einfluss der Biegevorspannung auf die Ausbreitung der geführten Wellen. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wird abschließend ein innovatives Messverfahren für Biegebelastungen vorgestellt, das gegenüber kleinen Temperaturänderungen robust ist.

Smarte Einführung von Predictive Maintenance

Marina Klees | IML

Angesichts des steigenden Wettbewerbsdrucks und der sich wandelnden Kundenanforderungen sehen sich Unternehmen zunehmend gezwungen, effizientere und kosteneffektivere Betriebsabläufe zu implementieren. In diesem Zusammenhang gewinnt Predictive Maintenance immer mehr an Bedeutung, da sie Unternehmen befähigt, Instandhaltungsaktivitäten proaktiv zu planen und ungeplante Stillstandszeiten zu minimieren. Als innovative und datengetriebene Instandhaltungsstrategie ist sie eine bedeutsame Digitalisierungsmaßnahme, die wesentlich zur Erhöhung der Maschinenverfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit beiträgt. Doch warum gibt es bisher nur wenige Umsetzungsbeispiele aus der Praxis?
Die Einführung von Predictive Maintenance ist mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden, die für Unternehmen jeder Größe relevant sind. Dazu gehören nicht nur begrenzte Ressourcen und fehlendes Know-how, sondern auch Aspekte wie bspw. ein heterogener Maschinenpark ohne der notwendigen Datenbasis. Ein maßgeschneiderter und smarter Fahrplan, der diese Herausforderungen berücksichtigt und alle beteiligten Mitarbeiter und Stakeholder einbezieht, ist entscheidend für den Erfolg von Predictive Maintenance-Projekten.  
Auf dieser Grundlage wurde eine strukturierte Roadmap als Leitfaden erarbeitet, um potenzielle Hindernisse frühzeitig zu identifizieren und maßgeschneiderte Lösungen für Unternehmen zu entwickeln. Diese generische Roadmap adressiert verschiedene Aspekte wie die Verbesserung der Datenqualität und -quantität, den Aufbau einer geeigneten IT-Infrastruktur sowie die Schaffung von Rahmenbedingungen für Datenaustausch, -speicherung und -auswertung. Zudem bietet sie konkrete Hinweise zur Entwicklung einer maßgeschneiderten Predictive Maintenance-Strategie, zur Planung der erforderlichen Ressourcen und ebenso zur Umsetzung und zum Rollout im Unternehmen.
Der erste Schritt ist dabei die Identifikation von kritischen Anlagen, sowie Komponenten, bei denen der Strategiewechsel aus wirtschaftlicher Sicht deutlich nachweisbar ist. Hierzu wurde ein softwaregestützter Ansatz entwickelt, der es ermöglicht, kritische Anlagen und Komponenten auch bei Unternehmen zu identifizieren, welche bislang noch keinen großen Digitalisierungsgrad aufweisen. Bei diesem Ansatz werden nicht nur die tatsächlichen Anlagenverfügbarkeiten untersucht, sondern auch die individuellen Folgen für die Produktion aufgrund einer defekten Komponente.

On vibration absorbers for vibration and noise attenuation for the fuselage and cabin of selected tonal engine disturbance, based on ground  measurements on a Dassault Falcon 2000LX MSN 006

Michael Rose | DLR

Engine noise is of substancial impact on the passengers comfort of modern airplanes. Besides the jet noise, certain selected tonal engine frequencies can be clearly observed as acoustic noise in the cabin. Based on ground measurements on a Dassault Falcon 2000LX MSN 006 airplane, three of these tonal frequencies have been identified and strategies have been developed to attenuate these frequencies with active and passive solutions subsequently. In this paper, the principal properties of vibration absorbers, mounted at one pylon, have been investigated, based on the spectral disturbances and frequency response functions, obtained from the ground test measurements. Using a vibration observer at the pylon between the engine and the fuselage is suggested by the idea, to at least attenuate the structure borne noise of this path.  The main focus of the presented study reveals the principle possibilities and restrictions of using vibration absorbers to vibration reduction on certain parts of the fuselage and on sound power reduction in certain cabin areas. Due to the fact, that only one position for an absorber was available from the underlying measurement data, numerical results are only available for one absorber at a fixed location. As part of the conclusion of the paper, using multiple absorbers would be mandatory to gain sufficient global attenuation, but the principles can be demonstrated fairly well with the choosen set up.

Active Piezo Bearing with rotating piezo actuators as an energy harvester:  Investigating the feasibility and impact of different strategies

Hossein Ghaemi | TU DA, IMS

Rotating systems are widely used in industrial applications; however, various problems can limit their performance and functionality. A challenge faced is that of imbalance. This can be overcome through active methods, one possible solution being active piezo bearings (APB) that support the rotor system. The Institute of Mechatronic Systems has developed such an APB consisting of three rotating piezo actuators fixed in a cage. The construction of the piezo bearing results in each piezo actuator being subjected to a cyclic force with every rotation of the rotor, due to its weight. Thus, a 1st order harmonic force. While these harmonic forces can neither be avoided nor compensated by the controller, they can potentially be exploited to generate energy using energy harvesting strategies. This work aims to firstly investigate the feasibility of using energy harvesting strategies in the actively controlled piezo bearing of the rotor system and study its potential side effects on the performance of the system being investigated. Secondly, based on the voltage output generated by the energy harvesting system, a semi-active solution can be defined.
Recent literature shows that there are three methodologies for piezoelectric harvesting which are highly effective; Synchronized Switch Harvesting on Inductor (SSHI), Switched Harvesting Considering Vibration Suppression (SCVS), and Adaptive-SCVS (ASCVS). While these concepts utilize the same circuit hardware, they differ in terms of the logic that determines the switching. Using different concepts can influence the behavior of the energy harvesting system, which can further affect the vibration behavior and introduce additional damping. The influence of these three concepts on the behavior of the rotor dynamic system and the performance of the APB will be investigated as part of this study.
The study will address the challenge of the acting amplitude and the operating frequency which are defined by the operational conditions. These limit the maximum voltage that can be delivered by the energy harvesting circuit. The aim is to study the influence of an energy harvesting system implemented using an active piezo bearing in the frequency range of 0 to 67 Hz. The rotor which is the source of the weight force is supported by a passive bearing and the APB. This work is currently in the implementation phase, and our aim is to deliver the results by the end of the deadline.

Flugzeuginnenlärm: von der Anregung bis zur Kabine

Stephan Algermissen | DLR

Die Elektromobilität revolutioniert aktuell die Verkehrstechnik in allen ihren Bereichen. Auch in der Luftfahrt gibt es neue Ansätze für zukünftige Antriebssysteme als Beitrag zum "Elektrischen Fliegen"(electric flight). Das Propeller-Triebwerk erfährt eine Renaissance und erfordert, in Kombination mit einem Brennstoffzellen-System, Modifikationen im Rumpf- und Flügeldesign. Im Vergleich zum konventionellen Flugzeug mit Strahltriebwerken ergeben sich Veränderungen der Lärmquellen und der vibroakustischen Transmissionspfade. Die Bewertung der Lärmbelastung und der Wirksamkeit von Schallschutzmaßnahmen für Passagiere sollte daher früh und bereits in der Vorentwurfsphase eines neuen Flugzeugs erfolgen.
Das DLR-Projekt INTONATE erstellt Finite-Elemente (FE)-Modelle von Flugzeugrümpfen auf der Basis von Vorentwurfsdaten im Common Language for Aircraft Design (CPACS)-Format zur Berechnung der Schalltransmission in die Kabine. Mit Hilfe einer automatisierten Modellerstellung können Änderungen im Entwurf schnell in ein FE-Modell überführt und die Auswirkungen auf den Schalldruck in der Kabine berechnet werden. In diesem Artikel wird die Berechnung der Schalltransmission vom Propellerlärm auf der Außenhaut bis in die Kabine am Modell des Acoustic Flight-Labs am Zentrum für angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) vorgestellt. Neben der automatisierten Modellerstellung wird auch die Bereitstellung der Schalldruckdaten für eine anschließende Auralisation der Kabine thematisiert.

Structural Health Monitoring with Frequency Steerable Acoustic Transducers: From Theory to Application

Holger Neubert | IKTS

Die Prüfung mit geführten Ultraschallwellen (GWs) hat im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP bzw. Non-Destructive Testing - NDT) und der Strukturüberwachung (Structural Health Monitoring - SHM) zunehmende Anwendung. Dies ist darin begründet, dass geführte Schallwellen in einer Struktur beträchtliche Entfernungen mit nur geringem Energieverlust zurücklegen und dabei sowohl mit inneren als auch Oberflächenfehlern effektiv wechselwirken und diese also auch identifizieren können.
In der Anwendung verlangt dieser Ansatz in der Regel mehrere piezoelektrische Wandler auf der zu untersuchenden Struktur. Wünschenswert sind Gruppenstrahler, die gerichtete Schallfelder abstrahlen (Phased-Array-Technik) und im synchronisierten Betrieb mehrerer Wandler die Schallenergie in bestimmten Bereichen des untersuchten Objekts konzentrieren. Nachteile solcher Systeme aus konventionellen Gruppenstrahlern sind hohes Gewicht, komplexe Steuerelektronik mit vielen Kanälen und damit verbunden ein hoher Verdrahtungsaufwand, der nicht zuletzt die Zuverlässigkeit begrenzt.
Vorgestellt wird ein neuer Typ frequenzkontrollierter Richtungsschallwandler (Frequency Steerable Acoustic Transducer - FSATs) für SHM-Anwendungen mit geführten Schallwellen. FSATs nutzen eine räumliche Filterung, die mit der Frequenz variiert. Es besteht eine geometrisch bestimmte, direkte Entsprechung zwischen der Signalausbreitungsrichtung und den spektralen Eigenschaften der gesendeten oder empfangenen Signale. Damit lässt sich der Aufwand für Elektronik und Verdrahtung deutlich verringern.
Die neue Generation von FSATs beseitigt das Problem der 180°-Mehrdeutigkeit früherer FSATs und ermöglicht eine 360°-Oberflächenabtastung zur Defekterkennung durch Variation der Erregerfrequenz mit minimalen Software- und Hardware-Anforderungen auf einfache Weise.
Die spiralige Elementstruktur der FSATs wurde mittels Siebdruck auf piezokeramische Platten aufgebracht. Die vorgesehene Verdrahtung wurde mit Durch- und Umkontaktierungen sowie ebenfalls gedruckten Isolationsschichten hergestellt. Die gepolten Wandler wurden auf Platten aus verschiedenen Werkstoffen mit Abmessungen um 1 x 1 m aufgebracht.
Vorgestellt werden Finite-Element-Simulationen zusammen mit experimentellen Validierungen durch Scanning Laser Doppler Vibrometrie (SLDV).

KI-Assistenzsystem zur Schätzung von Kantenverrundung und Werkzeugverschleiß bei Entgratprozessen

Valentin Mees | Fraunhofer LBF

Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung in der Fertigungstechnik spielt die Implementierung intelligenter Assistenzsysteme eine immer größere Rolle. Das am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Kooperation mit der boeck GmbH durchgeführte Projekt SmartEntgrat beschäftigt sich mit der Optimierung von Entgratprozessen durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI). Es wird ein neuartiges KI-basiertes Assistenzsystem vorgestellt, das darauf abzielt, die Kantenverrundung und den Werkzeugverschleiß beim Entgraten präzise abzuschätzen und damit die Prozesseffizienz und Werkzeugstandzeit zu verbessern.
Die Entwicklung des Systems gliedert sich in vier Hauptbereiche: Sensoreinheit, Gateway, Datenakquisition und Modellentwicklung. Die Sensoreinheit wurde speziell für die Erfassung relevanter Prozessdaten entwickelt und in den Schleiftelleradapter integriert. Über ein entwickeltes Gateway werden die erfassten Daten sicher und zuverlässig an eine zentrale Datenbank übertragen. In der Akquisitionsphase wurden umfangreiche Prozessdaten gesammelt, die eine detaillierte Analyse der Entgratprozesse ermöglichen. Den Kern des Projektes bildete die Modellentwicklung, in der mittels maschinellen Lernens prädiktive Modelle erstellt wurden, die in Echtzeit Rückschlüsse auf den Zustand der Kantenverrundung und des Werkzeugverschleißes zulassen.
Das entwickelte KI-Assistenzsystem leistet einen wichtigen Beitrag zu Industrie 4.0, indem es die Grundlage für eine verbesserte Prozesskontrolle und vorausschauende Wartung von Entgratwerkzeugen schafft. Die Implementierung des Systems führt zu einer Erhöhung der Prozesssicherheit und einer Reduzierung der Ausschussquoten. Der vorliegende Beitrag stellt die methodischen Ansätze sowie ausgewählte Ergebnisse und Erfahrungen aus dem Projekt SmartEntgrat vor und beleuchtet das Potenzial von KI-Systemen in der Fertigungstechnik.

Structural monitoring of hydrogen pressure vessels made of carbon fiber-reinforced polymers using the acoustic emission method

Manuel Mathes | Fraunhofer LBF

For weight reasons, hydrogen for mobile usage is typically stored in light high-pressure vessels made of fiber reinforced composite (FRC). With up to 700 bar for a type-IV vessel, each refueling process causes high tensile stress. Currently the vessels are checked every two years during the main inspection just by visual inspection of the surface. From structural durability perspective, this validation is unsatisfactory because of its subjective character and that a damage inside deeper layers of the thick-walled vessels cannot be seen at the surface. The consequences are early vessel exchanges because of conservative assessment and underestimation of possible damages.
A sensor-based condition monitoring system can eliminate these disadvantages. Two promising approaches are examined as a part of the research project HyMon1:
1.With the increase of load cycles, dislocation movements occur in FRC-material and cause degradation of stiffness, which can be used for lifetime estimation. Due to the high tensile in FRC, optical fiber-Bragg-gratings are used.
2.Fiber- or matrix cracking and delamination inside FRC-materials lead to shockwaves traveling through the composite material, which can be detected and distinguished by acoustic-emission-methods. For a perspective applicability in series low-cost sensors for this purpose are exanimated and compared to commercial laboratory sensors.
Within this paper the results will be presented with focus on the acoustic emission method. In the project, the sensor technologies were initially tested on material samples with different laminate structures. In addition to commercial AE sensors, different commercially available low-cost piezo sensors were also used and evaluated regarding their suitability for detection of fiber cracks. The failure mechanisms of fiber and matrix cracking and delamination were specifically generated and detected in fatigue tests. The frequency ranges for fiber and matrix failure given in the literature were confirmed in the labor tests. Based on the collected measurement data, evaluation algorithms were developed to classify the acoustic emission events and to estimate the lifetime consumption. This method was transferred to pressure vessels and verified in load cycling tests on the component.

Assessing Acoustic Insulation Measures: A Benchmarking Workshop

Lukas Grasböck | LCM

As part of the Mechathon competition, our objective was to evaluate the effectiveness of soundproofing measures applied to a sound radiating surface. The testing environment comprised a sealed enclosure fitted with sound-insulating materials, housing a loudspeaker for acoustic excitation. The sound-emitting front was designed to be interchangeable, allowing for the testing of various steel plates with and without acoustic measures, including meta-materials, sound insulation mats, and multilayer panels. The goal was to assess simple yet industrially applicable acoustic insulation measures.
This investigation, carried out by researchers from German Aeorspace Center (DLR), Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability (LBF), Fill GmbH and Linz Center of Mechatronics GmbH (LCM), was approached by teams of two individuals each during the Mechathon event. The teams presented their respective acoustic insulation measures, with a specific emphasis on quantifying the impact of openings in the sound-emitting front—examining how such gaps affect the sound-absorbing properties. To facilitate a comprehensive comparison of each sound-absorbing solution, we utilized a sound intensity probe mounted on a collaborative robot. This probe autonomously conducted sound intensity mapping for each sound-insulating plate, offering a detailed analysis of their performance. The investigation findings indicate that, despite only a minor gap in the sound radiating surface, the efficacy of the soundproofing measures is compromised, if not entirely negated. Additionally, a special focus is on the coupled multi-physics finite element simulation of the mechanical and acoustical domains of the test setup, enabling a deeper understanding of the effects involved. The simulation model is validated through comparison with the experimental results, ensuring its accuracy and reliability.

Akustisch gesteuerte Komponenten zur Gebäudelüftung

Peter Brandstätt | IBP

Ob zu Hause, im Hotel oder bei der Arbeit im Büro: Regelmäßig wird ein Fenster zur Raumlüftung geöffnet. Sind jedoch die Außengeräusche zu laut, wird es nach kurzer Zeit wieder geschlossen. Um diesem Problem zu begegnen, wurde eine akustische Funktion in die Lüftungssteuerung integriert. Ausgangspunkt sind automatische Fenster, die sich bei sensorisch erfasstem Lüftungsbedarf öffnen. Automatisierte Fenstersysteme dienen der nachweislich bevorzugten natürlichen Lüftung und erlauben es bereits heute, Regelgrößen in Räumen wie Temperatur, Feuchte oder CO2-Gehalt, aber auch personalisierte Eingangsparameter einzubeziehen. Bislang nicht berücksichtigt sind hingegen die durch das geöffnete Fenster eingetragenen Geräusche.
Das Grundprinzip zur technischen Umsetzung ist dafür jedoch recht einfach: Mit einem Schallsensor (Mikrofon) wird der einwirkende Außenlärm gemessen. Die neue Funktion ist das automatische Schließen, sobald außerhalb des Gebäudes ein bestimmter Geräuschpegel erreicht ist. Ein Mikrofon im Innenraum liefert mit dem dort vorhandenen Schallpegel dabei ein zweites Entscheidungskriterium für diese Steuerung.
Die Entwicklung ist nicht auf Fenster beschränkt. Sie kann grundsätzlich auch verschiedene Formen der Belüftung von Gebäuden angewendet werden, bei denen Menschen im Innenraum in ihrem Bedarf nach Ruhe für konzentriertes Arbeiten oder Schlafen gestört werden. Dies umfasst z. B. Überströmöffnungen, Lüftungsflügel oder Pendellüfter für die kontrollierte Wohnraumlüftung.  
Dabei steht auch die Entwicklung eines KI-Systems zur intelligenten Steuerung dieser Fassadenöffnungen auf Basis von Kenngrößen des Geräuschcharakters im Fokus, die über die reine Steuerung durch die Lautstärke allein hinaus geht. So wurde über ein am IBP entwickeltes Analyseverfahren eine Erkennung von besonders störenden Geräuscharten, wie z. B. einem Hubschrauber, erreicht. Die Steuerung ist also in der Lage, selbst bei leisen, sich nähernden Störgeräuschen den Schließvorgang frühzeitig einleiten. Das Verfahren wird zusätzlich durch subjektive Bewertungen der Lärmbelastung und Lautheitswahrnehmung der zu erkennenden Geräusche validiert. Dazu wurden in Hörversuchen verschiedene Schallereignisse (ICE, Güterzug, Helikopter) im Raum mit geschlossenem, geöffnetem sowie automatisch geregeltem Fenster dargeboten.
Dieser Beitrag zeigt verschiedene Anwendungen des innovativen Verfahrens an Fenstern mit Kipp- und Parallel-Abstell-Flügel sowie an einem Pendellüfter.

Das Drückwalzen mit Eigenschaftsregelung - mittels intelligenter Sensorik zu smarten, funktionsintegrierten Gradierungsstrukturen

Lukas Kersting | IEM

Produktfälschungen stellen die Industrie vor immer neue Herausforderungen, da sie das Risiko eines Reputationsverlustes für die Produzenten bergen sowie im schlimmsten Fall die Sicherheit der Produktnutzer gefährden. Dieses Problem ist besonders relevant in Branchen wie der Luft- und Raumfahrtindustrie, wie aus aktuellen Untersuchungen der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA) aus dem Jahr 2023 hervorgeht, die sich mit gefälschten Ersatzteilen in Flugzeugturbinen befasst haben. Ein möglicher Ansatz, um sicherheitsrelevante Bauteilfälschungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie im Automotive-Bereich künftig zu verhindern, besteht darin, einen unverwechselbaren, unumkehrbaren „Identifier“ in das Originalbauteil zu integrieren. Dies könnte beispielsweise ein unsichtbarer magnetischer Bar- oder QR-Code sein, der während der Fertigung direkt in das Bauteil integriert wird. Die gezielte Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften während des Fertigungsprozesses von Bauteilen durch die Umformtechnik stellt gemäß dem gegenwärtigen Stand der Technik eine anspruchsvolle Herausforderung dar. Ein vielversprechender Forschungsansatz zur Lösung dieses Problems ist das Konzept der sogenannten Eigenschaftsregelung. Bei diesem Konzept werden die Bauteileigenschaften mittels intelligenter Sensoren direkt während der Fertigung gemessen und durch die Maschinenaktorik in den Prozess zurückgekoppelt. Dies ermöglicht eine dynamische Anpassung der Fertigungsparameter, um die gewünschten Eigenschaften des Bauteils zu erreichen. Dieser Beitrag beleuchtet am Beispiel des Drückwalzprozesses, wie mit einer solchen Eigenschaftsregelung definierte und gradierte Eigenschaftsstrukturen z.B. zur Verhinderung von Produktfälschungen hergestellt werden können.
Der Drückwalzprozess bezeichnet ein Herstellverfahren zur Fertigung rotationssymmetrischer Bauteile in kleinen bis mittleren Losgrößen, wie etwa Antriebswellen und Hydraulikzylindern, die im Automotive- und Aerospace-Bereich Verwendung finden. Während dieses Fertigungsprozesses treten bei der Umformung von metastabil-austenitischen Edelstählen spezifische Phasenumwandlungs¬prozesse auf, darunter die Martensitausbildung. Hierdurch kommt es zu Veränderungen der Bauteilhärte, -festigkeit und insbesondere der magnetischen Eigenschaften. Durch gezieltes Einstellen des Martensitgehalts im Rahmen der Eigenschaftsregelung ist es daher möglich, spezielle Hochleistungsbauteile zu erzeugen. Diese Bauteile haben ein breites Anwendungsspektrum, welches weit über den sensorischen Nutzen in Form von unsichtbaren Bar- und QR-Codes hinausgeht und bis zu Funktionselementen zur Verschleißminderung reicht.
Eine der Hauptherausforderungen bei der Entwicklung der Eigenschaftsregelung für das Drückwalzen metastabil-austenitischer Edelstähle ist insbesondere die Online-Messbarkeit des martensitischen Gefüges in-situ im Prozess. Während klassischerweise zerstörungsbehaftete Prüfverfahren zur Martensitbestimmung eingesetzt werden, ist innerhalb der Eigenschaftsregelung eine indirekte, zerstörungsfreie Messung mittels einer neuartigen, intelligenten Softsensorik unabdingbar. Diese Sensorik besitzt eine charakteristische Dynamik und Ortsauflösung, welche mittelbar die Auflösung der geregelt erzeugten Gradierungen beeinflusst, d.h. die Schärfe der Abgrenzung zwischen martensitischen und nicht-martensitischem Bereichen. Dieser Aspekt soll im Rahmen des vorliegenden Beitrags näher beleuchtet werden. Hierzu wird die Softsensorik in ein regelungstechnisches Entwurfsmodell integriert und modellbasiert im Rahmen einer Simulationsstudie eine Eigenschaftsregelung ausgelegt. Darauf aufbauend wird die Abhängigkeit zwischen maximaler Regelungsbandbreite, Softsensordynamik und Gradierungsauflösung analysiert. Insbesondere letzter Aspekt ist von hoher Relevanz für einen etwaigen zukünftigen Technologietransfer zur Erzeugung smarter, funktionsintegrierter Strukturen von der Forschung in die industrielle Anwendung.

Entwicklung eines innovativen Algorithmus zur Radiusbestimmung mittels Laser-Linienscanner

Louis Charton | Fraunhofer LBF

Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung in der Fertigungstechnik spielt die Implementierung intelligenter Assistenzsysteme eine immer größere Rolle. Das am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Kooperation mit der boeck GmbH durchgeführte Projekt SmartEntgrat beschäftigt sich mit der Optimierung von Entgratprozessen durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI).
Die genaue Vermessung von Kantenradien ist eine fundamentale Anforderung in der Qualitätskontrolle bei der Blechverarbeitung. Traditionelle Messverfahren stoßen jedoch bei komplexen Geometrien und hohen Durchsatzgeschwindigkeiten an ihre Grenzen. Laser-Linienscanner können berührungslos und hochgenau Kanten vermessen. Allerdings müssen diese Messdaten noch weiterverarbeitet werden, um auf den kleinsten Radius der Kante zu schließen. Die vorimplementierten Algorithmen sind dabei nicht besonders robust. Um diese Herausforderung zu adressieren, wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, aus den Daten eines Laser-Linienscanners präzise und effizient den Radius einer Kante zu ermitteln.
Der hier vorgestellte Ansatz nutzt eine Kombination aus geometrischer Datenverarbeitung und modernen statistischen Analysemethoden, um Messunsicherheiten zu minimieren und die Zuverlässigkeit der Radiusbestimmung signifikant zu erhöhen. Besonderes Augenmerk wurde auf die Entwicklung einer robusten Datenverarbeitungskette gelegt, die eine schnelle Anpassung an verschiedene Kantenformen und -größen ermöglicht.
Im Rahmen der Untersuchungen wurden umfangreiche Tests mit verschiedenen Kantenradien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Überlegenheit des neuen Verfahrens gegenüber den vorimplementierten Algorithmen, insbesondere in Bezug auf Messgeschwindigkeit und -genauigkeit. Weiterhin wurde eine signifikante Reduktion der Messstreuung festgestellt, was die Eignung des Algorithmus für den Einsatz in der industriellen Praxis unterstreicht.
Das Paper präsentiert detailliert die methodischen Grundlagen des entwickelten Algorithmus, die durchgeführten experimentellen Studien sowie eine umfassende Auswertung der Ergebnisse. Abschließend wird ein Ausblick auf mögliche Erweiterungen und Anwendungsfelder des Verfahrens gegeben.

VE-sensIC: Vertrauenswürdige Elektronik, in Kombination mit einer in einen Schlauch integrierten Sensorik

André Schröder | ContiTech

Ziel des Projekts VE-sensIC war es, elektronische Komponenten zu entwickeln, die direkt in Maschinenbauteile integriert wurden und dort sicherheitsrelevante Sensordaten ermitteln. Im Vorhaben wurde ein intelligenter Gummischlauch mit einem integrierten Temperatursensor entwickelt. Hierzu wurden verschiedene innovative Materialien verwendet, wie z.B. temperaturreaktive Tinte, die auf eine dünne Kunststofffolie gedruckt wurde. Dieser Träger wurde in einen Kunststoffschlauch extrudiert, während eines bereits industrialisierten Massenproduktionsprozesses zur Herstellung von Schläuchen für den Automobilbereich. Die Auswertung der Sensordaten erfolgt mithilfe sicherer Bauteile (u.a. einer PUF) und Übertragungsprotokollen, die den Anspruch der „vertrauenswürdigen Elektronik“ verfolgen. Als fälschungssichere mechanische Kapselung der Auswerteelektronik fungiert eine optisch auslesbare dreidimensionale ID innerhalb der Vergussmasse.
Das Symposium „4smarts“ findet nach Abschluss des Projektes statt, so dass der finale Prototyp mit den Bauteilen aller Projektpartner für die Präsentation zur Verfügung steht.

Aeromaterialien für die Aktorik und Sensorik

Rainer Adelung | Uni Kiel

Ultraleichte Aeromaterialien können ohne bewegliche Teile als neuartige Aktuatoren und Sensoren eingesetzt werden. In der Präsentation wird auf den bisherigen Kenntnisstand in verschiedenen Fachpublikationen und Patenten der Arbeitsgruppe funktionale Nanomaterialien eingegangen sowie auf erste Demonstratoren für industrielle Anwendungen z.B. im Maschinenbau, die teils gemeinsam mit der Phi-Stone AG erstellt wurden. Aeromaterialien sind leichtgewichtige Materialien, sie haben eine extrem niedrige Dichte von unter 20mg/cm3 (Wasser 1g/ cm3, hohe Porosität und eine große innere Oberfläche.) Die hier relevanten Aeromaterialien unterscheiden sich von allen anderen wie Beispielweise Aerogelen dadurch, dass sie wie ein mikroskopisches Gerüst aus Mikrometer durchmessenden Röhren mit nanoskaliger Wandstärke aufgebaut sind, die durch ihre besondere Struktur besonders zwischen den Rohrstreben viel Freiraum bieten. Dadurch können die Materialien unter anderem als neuartige Filter [1], Lichtstreumaterialien [2], Lausprecher und auch als Aktoren und Sensoren in verschiedenen Anwendungsbeispielen eingesetzt werden [3,4]. Die hier vorgestellten Aeromaterialien beruhen auf einem Templatverfahren. Dazu wird ein Gerüst aus dreidimensional vernetzten Tetrapodalem Zinkoxid (T-ZnO) aufgebaut, welches mit einer in der Arbeitsgruppe entwickelten Flammentransportsynthese wird T-ZnO hergestellt wird und in einem weiteren Schritt in die gewünschte 3 dimensionale Form gebracht werden kann. Diese Materialstruktur ist bereits international zum Patent angemeldet und wird durch die Phi-Stone AG im industriellen Maßstab hauptsächlich für biomedizinische Anwendungen unter anderem als Pharmazeutischer Wirkstoff hergestellt, wobei das Zinkoxid ist prinzipiell kostengünstig, biokompatibel und nicht toxisch ist. Die in verschiedene Formen gebrachten Template können verwendet werden, um sie mit Nanomaterialien wie z.B. Graphen zu beschichten. Ist nasschemisch durch einen Infiltrationsprozess möglich oder über Gasphasenabscheidung in verschiedenen CVD Prozessen.  Nach der Beschichtung mit dem gewünschten Material wird das Zinkoxid durch einen (nass oder trocken) Ätzschritt entfernt. Im Falle leitfähiger Proben können diese mit Messing bzw. Kupferkontakten versehen werden um sie elektrisch anzusteuern (Patent Pend.). Elektrisch leitfähige Aeromaterialien lassen sich elektrisch extrem schnell aufheizen, da sie eine sehr kleine Masse besitzen. Mit wenigen Watt lassen sich bereits mit Proben auf der Kubikzentimeter Skala innerhalb von Millisekunden viele hundert Grad Celsius erreichen. Dadurch wird die Luft im inneren des Gerüstes erwärmt und schießt durch seine Ausdehnung nach außen oder erhöht in abgeschlossenen Volumen den Druck. Ohne Kompressor wird so ein pneumatischer Druck bzw. eine Luftströmung erzeugt (Pat. Pend.). Die Aktoren zeichnen sich durch eine große Volumenbewegung/Hub bei gleichzeitig großer gravimetrischer Leistungsdichte aus. So erzeugt eine Probe mit einem Gewicht im Bereich von Milligram genügend Kraft um Gewichte von mehr als 50 g Bereich zu heben. Trotz der hohen Temperatur die die Luftausdehnung bewirkt ist beim zyklischen Einsatz des Aktuators keine nennenswerter Wärmeübertrag zu befürchten. Es lassen sich sogar Gummimembranen mit niedrigem Schmelzpunkt bewegen, so dass sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Neben der Aktorik eignet sich das Material auch als Lautsprecher. Durch Anlegen von Wechselstrom werden Töne erzeugt. Neben der Aktorik, können die Materialien auch als Sensoren verwendet werden, z.B. als Gas-, Strömungs-, Temperatur- oder Drucksensoren [5], die ebenfalls in der Präsentation kurz vorgestellt werden.

Entwicklung robuster NVH-Anforderungen für Lagerungssysteme  elektrifizierter Antriebsstränge basierend auf Lösungsraumanalysen während der frühen Entwicklungsphase

Jose Condor Lopez | Mercedes-Benz

Die Elektrifizierung ist unter anderem durch zusätzliche Herausforderungen in der Disziplin NVH charakterisiert, da sowohl Anregungen kommend aus dem Antrieb in höheren Frequenzbereichen auftreten als auch die Maskierung durch den Verbrennungsmotor entfällt. Durch dieses erweiterte Anregungsspektrum können beispielhaft versteifenden Phänomene im Elastomerlager, die aufgrund von Kontinuumsresonanzen die körperschallseitige Entkopplungswirkung reduzieren und sich nachteilig auf die NVH-Wahrnehmung des Kunden auswirken. Der Einsatz von Versteifungsfaktoren während der Entwicklung von Elastomerlagern, die als Grenzwert für das dynamische Übertragungsverhalten dienen und standardmäßig eingesetzt werden, kann den gesamten Frequenzbereich nicht adäquat abbilden.
In dieser Arbeit wird eine Methodik zur Ermittlung von zulässigen Bereichen für die funktionalen Kenngrößen eines Lagers bis 2000 Hz, wie der dynamischen Steifigkeit und des Phasenwinkels, vorgestellt.  Diese zulässigen Bereiche können als NVH-Anforderungen an die Lagerkomponente verstanden werden und können während der Entwicklung und der geometrischen Gestaltung des Bauteils herangezogen werden. Durch den Einsatz von Lösungsraumanalysen ist es zudem möglich, bei Berücksichtigung von mehreren Lagerkomponenten oder Raumrichtungen eine Unabhängigkeit der zu entwickelnden Kenngrößen zu erzielen, ohne die Anforderungen bei Veränderung einer Kenngröße innerhalb des zulässigen Bereichs zu verletzen. Prozessual ermöglicht dieser Ansatz eine maßgeschneiderte Definition der Anforderungen auf Komponentenebene und gleichzeitig eine Flexibilität aufgrund der Berücksichtigung von Streuungen oder mögliche Änderungen an dem Bauteil in späteren Entwicklungsphasen.

Semi-supervised anomaly detection for the identification of damages in an aerospace sandwich structure based on synthetically generated strain data

Florian Forsthuber | LCM

Structural health monitoring (SHM) of safety relevant composite components becomes increasingly popular as it contributes to the reduction of design uncertainties, and thus, enables the component‘s optimization and efficient operation, ultimately saving costs and resources.
In this field, machine learning (ML) techniques are attracting growing attention, due to their capability to recognize complex patterns in large and noisy datasets, which makes them very suitable for the identification of damages in operating mechanical structures.
However, concerning mechanical structures, the acquisition of sufficiently large amounts of labeled data, which are required for the training of ML methods, is very costly. This is especially the case as (i) typically real world data is required to be sufficiently representative, and (ii), data of the damaged structure is required for damage evaluation beyond sole detection. Given these constraints, a ML based SHM method is proposed, which is capable of detecting and localizing damages in a structure, solely based on training with physics-based synthetic data, generated from the numerical representation of that structure.
The SHM method utilizes a semi-supervised anomaly detection approach, which only requires training samples of a pristine structure to then detect structural damages in the form of deviations from the norm. On the real structure, the strain data is acquired through strain gauges applied to its surface, which in turn dictates the data format of the numerical training samples. These training samples are synthetically created by an existing and validated computational framework, that utilizes statistical variation of the structure’s simulated eigenmodes, for the efficient generation of a large amount of physics-based strain data.
The framework is further automated and scaled up to make the SHM method load case independent, as required during real operation, by increasing the variety of the generated samples, regarding the location of possible loads. The generated set of pristine strain data is then used to train the semi-supervised SHM method,
which uses gradient boosted regression trees to learn the spatial and directional relationship of discrete strain values of a pristine structure, available at the sensor positions. Due to its architecture, the method can additionally localize damages, provided that an adequate sensor grid layout is used, without the need of expensive simulations of structural damages at various positions. The case example, to which the SHM method is applied to, is an aircraft spoiler demonstrator, consisting of a composite sandwich panel, where a grid of strain gauges is located on its surface layer for damage evaluation. For the given case example, the method perfectly classifies damaged and undamaged experimental data, independent of the prevailing loadcase, solely based on synthetic pristine strain data. It is also able to localize these damages in the form of a confidence area with respect to the sensor grid.

Organic Growth of Space-Filling Conductor Paths in Heating Element Design

Branislav Rudic | LCM

Heating elements, i.e., devices or materials that convert electrical energy into heat via embedded conductors, can be used for thermalization, de-icing, thermal homogenization, or maintaining a constant temperature. Application areas can be found in electronics, aerospace, industrial and medical devices.
The design of conductor paths with an optimal heat distribution under geometric restrictions is a challenging task. Conductor paths are often designed manually in CAD software for each heating element individually. The manual process is time and cost-intensive and requires qualified personnel with knowledge about design rules. Classic approaches typically result in zigzag meanders or meander spirals, both work well for simple geometries. However, they can exhibit suboptimal behavior for non-trivial geometries, e.g., curved non-convex boundaries with bottlenecks and holes. An optimal conductor path, where optimality is understood in the sense of equal meander width and equal distance between meander and geometry boundary, would consequently facilitate a uniform heat distribution over the whole element.
This paper presents a computational solution to the problem of finding optimal conductor paths or meanders for heating elements. The real-world problem abstracts into the mathematical problem of finding space-filling curves for a given geometric shape, which can be solved using differential or organic growth. Organic growth, in the most literal sense of the term, mimics the growth process observed in in the formation of biofilm, plants, and flowers, as well as in fingerprints, the heart, and the brain of the human body. The presented method is iterative, where each iteration comprises a differentiation step and a resampling or growth step. Differentiation involves computation of attraction/repulsion forces for each point of the discretized path with respect to all points in a local neighborhood, as well as computation of a tangential smoothing force with respect to neighboring points of the same path segment. The growth step moves each point to its new destination according to all forces acting on the point and resamples the transformed curve by adding or removing points where necessary.
The process is initialized with arbitrary curves, which quickly evolve into smooth space-filling organic-looking meanders. By placing the end-points of the initial curves onto the contact paths of the heating element and excluding them from any changes during the growth process, the resulting curves can be used as conductor paths.
The attraction/repulsion-, smoothing-, and random-walk forces, which take effect on each meander-point in each iteration, are parameterized and can be adapted during the growth process, e.g., to refine overall smoothness, width, speed, or discretization. The initialization curve and the parameterization are considered as user inputs.
Ideally, once initialized, the method will autonomously converge to a valid solution. However, global convergence is not guaranteed for each combination of initialization, parameterization, and geometry. Human supervision is therefore recommended during the growth process, as a re-initialization or parameter adjustments might be necessary to achieve the space-filling criterion. Thus, in the worst case, the presented method can be considered as a design assistant for a human user.
The paper covers various use cases, including providing local assistance for zigzag curves near non-trivial geometric restrictions, such as holes, finding the global solution of geometries with curved boundaries, and exploiting the non-uniqueness of a valid solution for creative purposes, such as embedding a logo or text. The paper demonstrates the organic growth of conductor paths through illustrative examples showing different stages of the process and different parameterizations.

Entwicklung eines schwingungsbasierten Enteisungsverfahrens für Flugzeugflügel

Denis Becker | Fraunhofer LBF

Die Vereisung von Flugzeugtragflächen stellt die Luftfahrt schon immer vor große Herausforderungen. Sich ansammelndes Eis kann besonders an der Leading Edge katastrophale Folgen haben. Dieses Problem besteht nicht nur am Boden, sondern vor allem während des Fluges, wenn kalte Luftschichten durchflogen werden und Umweltbedingungen auftreten, die sogenanntes unterkühltes Wasser in Wolken ermöglichen. Das Auftreffen dieses unterkühlten Wassers auf die Tragflächenoberfläche führt zu einer spontanen Kristallisation der Wassertröpfchen. Dadurch entsteht auf der Flugzeugtragfläche eine sich ausbreitende Eisschicht. Während sich in frühen Stadien der Eisansammlung noch eine dem Flügelprofil entsprechende Geometrie des anhaftenden Eises ergibt, weicht diese mit zunehmender Eisaggregation immer stärker davon ab. Es bilden sich je nach Umweltbedingungen verschiedene geometrische Formen auf dem Flügelprofil aus, die einen Strömungsabriss zur Folge haben und den sicheren Betrieb des Flugzeuges unmöglich machen. Diesem Problem wurde in der Vergangenheit vor allem mit thermischen Enteisungsverfahren begegnet, welche die Abwärme der Triebwerke nutzen. Diese Technologie kann aber weder den steigenden Forderungen an Effizienz eines Enteisungssystems gerecht werden noch in Kombination mit zukünftigen, effizienteren Triebwerken der nächsten Generation betrieben werden.
Vor dem Hintergrund der emissionsfreien Luftfahrt, werden zunehmend alternative elektromechanische Enteisungssysteme erforscht, die das Potential haben, Eis dynamisch und mit relativ geringem Energieaufwand zu entfernen. Gerade piezoelektrische Werkstoffe zeichnen sich hier durch Ihre hohe Leistungsdichte und Dynamik als vielversprechende Aktorik aus. Während in der Literatur vor allem Systeme beschrieben werden, die im Ultraschallbereich arbeiten, wird im Rahmen des Projektes Clean Aviation ein System entwickelt, welches im Bereich weniger kHz arbeitet und gezielt Resonanzen an relevanten Stellen der Flügel anregt, um das Eis abzulösen. Mit diesem neuartigen Konzept soll der Zielkonflikt zwischen Sicherheit im Flug und den steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz aufgelöst werden. Aufgrund der sich stetig ändernden Umgebungs- und Oberflächenzustände ist es notwendig, dass eine geeignete Sensorik strukturdynamische Parameter der Flügeloberfläche im laufenden Betrieb erfasst, damit das System ein geeignetes Anregungssignal für die Aktorik erzeugen kann.
Im Rahmen des Papers wird der aktuelle Stand bei der Entwicklung dieses strukturdynamischen smarten Enteisungsverfahren vorgestellt und auf die Besonderheiten des Systems eingegangen.

Structural Concept of a Morphing Turbofan Engine Intake

Sven Christian Künnecke | DLR

The design of a turbofan engine intake is a compromise to reach essential engine performance under different operating conditions. For example, the shape of the nacelle inlet must be suitable cruise and take-off cross-wind conditions. The inlet lip must be slender in cruise flight in order to minimize drag. These high curvatures at the nose reduce the cross-wind performance, since flow separation occurs already at lower cross-wind speed. To delay separation to higher cross-wind speeds, the profile should be thicker with less curvature. A morphing nacelle inlet allows such a shape adaptation of the intake in order to improve the aerodynamic performance at different operating conditions.
In this work, a skin concept for a morphing engine intake lip is developed from a structural point of view. For this purpose, a hybrid elastomer-fiberglass skin is designed to enable a circumferential deformation of the inlet lip. By applying an exemplary force on a reinforced section to the inner structure of the hybrid skin, the deformation is realized and the outer lip radius is increased in order to fulfill the aerodynamic requirements for take-off cross-wind conditions. Computational fluid-dynamic simulations show a relevant reduction of flow separation during cross-wind conditions highlighting how a low-drag nacelle design for cruise conditions could be morphed into a cross-wind configuration to mitigate flow separation during take-off.

Dünnschichtsensoren zur Ermittlung von Temperatur,  Verschleiß und Schnittkraft in Zerspanungsprozessen

Christina Pongratz | TU Braunschweig

In Zerspanungsprozessen eröffnet eine in situ Überwachung von Prozesskenngrößen umfassende Möglichkeiten, den Prozess im Sinne ökologischer und ökonomischer Aspekte zu optimieren. Relevante Kenngrößen wie die Temperatur im Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Span, der Verschleiß des Werkzeugs und die Schnittkraft können beispielsweise erfasst werden, um einen sogenannten Softsensor zu implementieren. Mithilfe an die gemessenen Kenngrößen angepasster Regelungsmechanismen können unter anderem die Randzoneneigenschaften der hergestellten Werkstücke gezielt eingestellt werden, was zu einer Erhöhung ihrer Lebensdauer beitragen kann. Zur wirkstellennahen Erfassung dieser Parameter eignen sich insbesondere Dünnschichtsensoren, da sie durch ihre sehr niedrige Aufbauhöhe (< 10 µm) die Ausgangsgeometrie nahezu nicht verändern. Die Implementierung von Temperatur- und Verschleißsensorik erfolgte mittels der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) von Aluminiumoxid (Al2O3)-Isolationsschichten und metallbasierten Sensorschichten direkt auf Wendeschneidplatten. Zur Erfassung der Temperatur wurde eine thermoresistive Chromschicht fotolithografisch auf der Spanfläche strukturiert, sodass eine Messung mit einer Ortsauflösung von maximal 140 x 140 µm² in Abständen von ca. 200-2200 µm zur Schnittkante erreicht wurde. Dabei wurden Wendeschneidplatten sowohl mit als auch ohne Spanleitstufe verwendet. Die Verschleißsensoren wurden über Leiterbahnen, die bei fortschreitendem Verschleiß ihren Widerstand ändern, auf den Freiflächen appliziert. Der Verschleiß kann mit einer Ortsauflösung von 50 µm detektiert werden. Die Kraftsensorik zur Erfassung der Schnittkräfte wurde getrennt vom Werkzeug auf einer Unterlegplatte mithilfe einer strukturierten Manganin-Schicht umgesetzt. Die Sensoren wurden in Labortests auf ihre Funktionalität überprüft und anschließend in Zerspanungsversuchen validiert. Die Ergebnisse zeigen für die Temperatursensoren eine kurze Reaktionszeit und akzeptable Lebensdauer in Abhängigkeit von der Sensorposition. Das Funktionsprinzip der Verschleißmessung wurde nachgewiesen. Mit den Kraftsensoren konnten die Schnittkräfte reproduzierbar mit einer Genauigkeit im Bereich von 10-15 % bestimmt werden.

Piezoelectric bone-conduction devices and active middle ear implants - motivation, challenges and promising approachese

Daniel Reischl | LCM

Piezoelectric actuators have been used successfully in various technical applications for decades. In the field of implantable hearing aids, however, the applications are not yet very numerous: TICA from Implex Company was approved for European market in 1998, Esteem implant from Medical Envoy, a piezoelectric middle ear implant, is on the market since 2010, followed in 2019 by the Osia implant from Cochlear, a piezoelectric bone conduction implant. In this paper, we therefore focus on the technological and regulatory hurdles for the use of piezoelectric actuators in implantable hearing aids.
We limit ourselves to the consideration of implantable bone conduction implants acting via the skull bone and active middle ear implants, as the challenges for these two groups are comparable. Conventional approaches to bone conduction, in which the mechanical vibrations are transmitted through the skin, on the other hand, have hardly any restrictions in the choice of actuator principle or with regard to the energy supply and are therefore not considered in more detail here. This applies both to percutaneous transmission, in which the skin is permanently cut through with a mechanical component, and to transcutaneous transmission, in which all active components are located outside the skin and the passive components underneath the skin are excited to vibrate from the outside via magnetic forces.
In a first step implementations of active implants which do not use piezoelectric actuators are analysed with respect to their technical challenges, which serve as a motivation to overcome them with piezoelectric solutions in a second step. In general, the optimization targets of the implantable devices are minimal size and energy consumption and maximum mechanical amplitude in a specified frequency range. As boundary conditions however, the maximum power and voltage for devices inside a human body are limited and the use of some materials shall be or must be avoided. The rising power of magnetic resonance imaging (MRI) devices led to a new challenge for the active implants with respect to the choice of materials.
The analysis in this paper starts with a review of the basic concepts and available data concerning the above-mentioned questions of active bone-conduction devices with transcutaneous electromagnetic energy transfer like the electromechanical driven Bonebridge from MED-EL and the piezoelectric solution Osia from Cochlear. It is followed by a review of the active middle ear implants like the electromechanical Soundbridge from MED-EL and the piezoelectric Esteem from Envoy Medical as well as the older system TICA from Implex.
In a final step current research papers about piezoelectric actuated hearing implants are analysed with the same focus as in the review of the already available products.

Active Noise and Vibration Control Systems @HUTCHINSON (ANVCS HUT)

Mathieu Noe | Hutchinson

Vibrations are often present in industrial applications and machines , also in transportation means. They have a negative impact on performance, lifetime, or measurement accuracy (a 3D coordinate measurement machine being subjected to ground motion , for example). They can also create undesirable noise inside (and outside) a car, a plane, a train, a ship, a helicopter. These vibrations are usually generated by prime movers (engines) or equipments (gearbox, pump, fan, propeller…). To avoid such effects, we look for solutions to prevent propagation of vibrations and structure born noise generation.
Some well know techniques are:
- Structural decoupling: using soft isolators , we can reduce the amount of dynamic forces transmitted from the vibrating source to it’s supporting structure. A typical example is rubber mounts used to isolate IC engine to a car’s structure. We use the same technology for larger diesel engines in ships
- Structural damping: large surfaces like aircraft fuselage are very efficient “loudspeakers” , so even a small force can create noticeable noise. To reduce local peaks located at panels resonant frequencies , we use damping sheets glued to the fuselage. A similar technique is used for cars windows, that are damped thanks to the rubber seal around the window.
When the standard approach does not fulfill the customer request , it is maybe time to consider a more evolved technology, either “Active Vibration Control” or “Active (Structural) Noise Control”.
Here, actuators will introduce cancelling forces to further reduce the level of vibration and / or noise to a much lower amplitude compared to what a passive approach can do.
In the presentation, we will show some successful implementation of such technology.

Steigende Anforderungen an Schwingungsisolationssysteme
und deren Modelle in der Halbleiterindustrie

Gero Seidler | DIE

Schwingungsisolation wird in verschiedensten Anwendungen, von Kreuzfahrtschiffen bis Mikroelektronik, eingesetzt. Prinzipiell zu unterscheiden sind Quellen- und Empfängerisolation. Bei der Quellenisolation wird die Schwingungsquelle gegenüber der Umgebung isoliert, beispielsweise werden die Vibrationen eines Verbrennungsmotors gedämpft, damit Passagiere im Auto oder auf einem Schiff weniger Lärm und Schwingungsbelastung ausgesetzt werden.
Die Empfängerisolation schirmt sensible Maschinen gegen Schwingungen der Umgebung. Um dieses Konzept handelt es sich in der Regel bei unseren Schwingungsisolationssystemen für Anwendungen in Messystemen oder der Halbleiterindustrie.
Die Isolationswirkung basiert bei allen Systemen auf einer Entkopplung der Masse auf weichen Federn. Auf diese Weise wird oberhalb der Resonanzfrequenz dieses angenommenen Einmassenschwingers Isolation erreicht, das heißt Schwingungen aus der Umgebung, i.d.R. vom Boden, werden nur reduziert auf die sensible Maschine übertragen.
Durch die zunehmende Verbreitung von Strukturgrößen im Nanometerbereich wachsen auch die Anforderungen an Isolationssysteme. Immer häufiger erreichen uns Anforderungen für Isolation um mindestens eine Größenordnung im Bereich ab einem Hertz. Für diese Anforderung müsste die Resonanzfrequenz des Systems eigentlich bei 0.1 Hz liegen. Eine Luftfeder für diese Anforderung hätte mindestens die Größe eines Kühlschranks, was in der Systemintegration meist nicht praktikabel ist. Daher nutzen wir aktive Systeme mit Skyhook-Dämpfung um die Überhöhung der Resonanz zu dämpfen und eine Feed-Forward Regelung, um die Bodenschwingungen direkt auszuregeln.
Ein weiteres Spannungsfeld ergibt sich durch beschleunigte Massen auf dem Isolationssystem. Da parallel zur sinkenden Strukturgröße die Durchlaufzeit der einzelnen Wafer sinkt, steigen die Beschleunigungen der Stages. Gleichzeitig wird der Zeitraum kürzer, in dem das System wieder beruhigt sein muss. Ziel ist, die Move and Settle Zeiten im Prozess zu reduzieren. Um die Auslenkung der Masse zu reduzieren wäre ein möglichst steifes System vorteilhaft, da die gegebene Kraft dort weniger Auslenkung bewirkt. Dies steht aber im Widerspruch zur Empfängerisolation, sodass zunehmend komplexe Modelle zur Systemauslegung genutzt werden, um das optimale System für eine Anwendung zu entwickeln.
Einfache Modelle betrachten das System von vorn und bilden es mit drei Freiheitsgraden ab, während die Beschleunigung der Stage als Krafteingang auf der Masse wirkt. Komplexere Modelle stellen die Masse als ROM (Reduced Order Model) mit beliebig vielen Freiheitsgraden aus einer FEA (Finite Elemente Analyse) dar, sodass auch Strukturresonanzen in der Masse abgebildet werden. Stage und Isolationssystem werden jeweils mit eigenem Controller dargestellt, auf dem parallele Regelschleifen wie im echten System laufen. Auch den Boden kann man in solchen Modellen modellieren, um den Einsatzort der Maschine z.B. im durch Winde zu Schwingungen angeregten Hochhaus abzubilden.