Forschungsbericht Maschinenwesen 2011 by RWTH Aachen University

FORSCHUNGSBERICHT 2011

Forschungs bericht 2011 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 dekanat-fb4@rwth-aachen.de www.maschinenbau.rwth-aachen.de

DEKANAT Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder (Dekan) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sabina Jeschke (Prodekanin, Stellvertreterin des Dekans) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt (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 levay@fb4.rwth-aachen.de DRUCK Druck- und Verlagshaus Mainz, Aachen REDAKTIONSSCHLUSS September 2012

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.

Vorwort

Preface

Ich freue mich, Ihnen den Forschungsbericht 2011 der Fakultät für Maschinenwesen vorstellen zu dürfen.

I am content to introduce to you the Research Report 2011 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 2012

Univ.-Prof. Dr.-Ing.Wolfgang Schröder (Dekan)

Inhaltsverzeichnis Impressum............................................................................................................................................................................................................................... 2 Vorwort des Dekans................................................................................................................................................................................................................ 3 Inhaltsverzeichnis.................................................................................................................................................................................................................... 4 1 Drittmittel...............................................................................................................................................................................................................................8 2 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. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries

»» 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............................................................................................88 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke »» WSA - Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung...................................................................................................................................................91 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Reinhold Kneer »» IEK-3 - Elektrochemische Verfahrenstechnik, Modellierung in der Elektrochemischen Verfahrenstechnik.............................................................. 95 Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Werner Lehnert »» TOS - Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme................................................................................................................................................ 99 Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Peter Loosen »» AVT - PT - Aachener Verfahrenstechnik - Prozesstechnik..................................................................................................................................... 103 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Marquardt AVT - MVT - Multiscale Modeling of Molecular Transformations......................................................................................................................................... 106 Juniorprofessor Dr. Ahmed E. Ismail »» AVT - MVT - Aachener Verfahrenstechnik - Mechanische Verfahrenstechnik........................................................................................................109 Univ.-Prof. Dr.- Ing. Michael Modigell »» FSD - Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik...............................................................................................................................................112 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Moormann »» IFAS - Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen.................................................................................................................................. 115 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff »» E.ON EBC – Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik................................................................................................................................. 119 Energy Research Center Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller

»» LTFD - Lehr- und Forschungsgebiet Laser-Messverfahren in der Thermofluiddynamik..........................................................................................123 N. N. »» AVT - TVT - Aachener Verfahrenstechnik - Thermische Verfahrenstechnik............................................................................................................126 N. N. »» SWL - Lehr- und Forschungsgebiet Hochtemperatur-Gasdynamik, Stoßwellenlabor..............................................................................................129 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert Olivier Physico-Chemical Fundamentals of Combustion................................................................................................................................................................ 132 Juniorprofessor Dr. rer. nat. Ravi Xavier Fernandes »» VKA - Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen...................................................................................................................................................135 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger »» ITV - Institut für technische Verbrennung................................................................................................................................................................139 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Heinz Günter Pitsch »» DLR - Institut für Solarforschung, Lehrstuhl für Solartechnik.................................................................................................................................. 142 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Pitz-Paal »» LLT - Lehrstuhl für Lasertechnik..............................................................................................................................................................................145 Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A. »» mediTEC - Lehrstuhl für Medizintechnik................................................................................................................................................................. 148 Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Radermacher »» ILB - Lehrstuhl und Institut für Leichtbau.................................................................................................................................................................152 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hans-Günther Reimerdes »» ISF - Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik..................................................................................................................................................156 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen »» GRS.ASE - Angewandtes Supercomputing im Maschinenbau................................................................................................................................159 German Research School for Simulation Sciences GmbH Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sabine Roller »» IAW - Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft............................................................................................................................................... 162 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Christopher Marc Schlick »» WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement....................................................................165 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt »» KEmikro - Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen...................................................................................168 Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Werner Karl Schomburg »» AIA - Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut..........................................................................................................................171 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder »» WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Produktionssystematik.................................................................................................................174 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Günther Schuh »» NLD - Lehr- und Forschungsbegiet für Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren................................................................................177 Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schulz

»» AICES – Lehrstuhl für Datengetriebene Modellierung in der Computational Engineering Science.........................................................................180 Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Andres Schuppert Verfahren höherer Ordnung in der Mehrphasenströmungssimulation................................................................................................................................. 183 Juniorprofessor Georg May, Ph.D »» AVT - EPT - Aachener Verfahrenstechnik, Enzymprozesstechnik...........................................................................................................................186 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Antje C. Spieß »» IEK-3 - Lehrstuhl für Brennstoffzellen..................................................................................................................................................................... 189 Institut für Energie- und Klimaforschung , Forschungszentrum Jülich Univ.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Stolten »» ILR - Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme...................................................................................................................................193 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Eike Stumpf »» IAM - Institut für Allgemeine Mechanik.................................................................................................................................................................... 196 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Weichert »» AVT - CVT - Aachener Verfahrenstechnik - Chemische Verfahrenstechnik.............................................................................................................199 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling »» IBG-1 - Biotechnologie, Systembiotechnologie.......................................................................................................................................................203 Institut für Bio- und Geowissenschaften, Forschungszentrum Jülich Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Wolfgang Wiechert »» IKDG - Lehrstuhl und Institut für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen........................................................................................................206 Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Wirsum

1 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 2011 auf 314 Millionen Euro gesteigert werden. Entwicklung des Drittmittelvolumens der RWTH Aachen University der letzten 10 Jahre

Entwicklung des Drittmittelvolumens der Fakultät für Maschinenwesen der letzten 5 Jahre

Die Fakultät für Maschinenwesen hat mit 104 Millionen Euro Drittmittelausgaben mehr als ein Drittel des gesamten Drittmittelvolumens der Hochschule eingeworben. Hinzu kommen 78 Millionen Euro Drittmittelausgaben in den assoziierten Fraunhofer- und An-Instituten von Professoren der Fakultät. Demgegenüber steht eine Basisfinanzierung von ca. 91 Millionen Euro durch das Land NRW. Verteilung des Drittmittelvolumens nach Fakultäten der letzten 5 Jahre

Entwicklung des Drittmittel- und Planmittelpersonals der Fakultät für Maschinenwesen der letzten 5 Jahre

2 Lehr- und ForschungsEinrichtungen der Fakult채t

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 secretary@irt.rwth-aachen.de 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 dem Steuerungsentwurf für ereignisdiskrete Systeme. 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, 1 Obering./-innen, 23 wiss. Mitarbeiter/-innen, 9 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 50 stud. Mitarbeiter/-innen

Methodische Schwerpunkte bilden die modellgestützte prädiktive Regelung, die robuste Regelung und die Betrachtung von digital vernetzten Regelsystemen.

Ausgewählte laufende Projekte »» Projekt SiPos-Rail

»» Projekt Betriebsverhalten von Windenergieanlagen

Satellitennavigation findet im Bereich sicherheitskritischer Systeme bei der Eisenbahn momentan nahezu keine Berücksichtigung.

Mit dem im September 2010 beschlossenen Energiekonzept 2050 leitete die Bundesregierung die Energiewende ein. Demnach soll 2050 die Versorgung Deutschlands zu 100% auf erneuerbare Energien umgestellt sein. Etwa ein Drittel der Energie soll durch Windkraft bereitgestellt werden.

Die Hauptproblematik bei der Verwendung von Signalen eines Satellitennavigationssystems (GNSS), wie dem momentan verfügbaren amerikanischen GPS und zukünftig auch dem europäischen Galileo, sind Zuverlässigkeit und Genauigkeit. Dies ist die Motivation für das Forschungsprojekt SiPoSRail, in dem eine GNSS-basierte Lokalisierungseinheit für den Schienenverkehr unter den Gesichtspunkten sicherheitsrelevanter Anwendungen betrachtet wird, die Positionsinformationen zur Verfügung stellt. Basis des SiPoS-Rail Ansatzes ist die Verwendung von elektronischen Meilensteinen. Beim Passieren eines solchen Meilensteins kann ein Zug seine aktuelle Position sehr genau feststellen. Diese Information wird verwendet, um eine gleichzeitig stattfindende GNSS-Messung zu bewerten. Ähnlich wie bei differentiellen GNSS-Methoden werden auf Basis dieser Daten Korrekturinformationen erstellt. Die Korrekturinformationen werden bei der weiteren Fahrt verwendet, um die Genauigkeit der GNSS-Positionen zu verbessern und so in Kombination mit weiterer Sensorik, wie optische Geschwindigkeitsmessung und Inertialsensorik, eine gleisgenaue Ortung zu ermöglichen. Zusätzlich wird die Zuverlässigkeit der ermittelten Position bewertet.

Damit Windenergie dieser Aufgabe gerecht werden kann, muss die rasante Entwicklung der vergangenen 20 Jahre kontinuierlich fortgesetzt werden um die Zuverlässigkeit, Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen (WEA) weiter zu steigern. Im Rahmen der Forschungstätigkeit des Instituts für Regelungstechnik wird daher an der Entwicklung und Anwendung neuer, höherer Regelungskonzepte und –Strategien für WEA gearbeitet, mit dem Ziel, den Ertrag der WEA zu maximieren und gleichzeitig die mechanischen Belastungen des Antriebstrangs und des Turms zu minimieren. Dadurch können einzelne Komponenten verkleinert, Masse reduziert und somit Kosten gespart werden. Weiterhin wird eine möglichst konstante Einspeisung in das elektrische Netz angestrebt um die Netzbelastungen zu reduzieren. Durch die Verwendung höherer Regelungsverfahren können bereits in der Entwurfsphase Nichtlinearitäten und Parameterunsicherheiten, hervorgerufen beispielsweise durch die Aerodynamik, berücksichtigt werden.

Das Einsatzgebiet für SiPoS-Rail sind Schienenverkehrsanwendungen, bei denen die Kenntnis über die Position des Schienenfahrzeugs sicherheitskritisch ist. Dieses ist bei Zugsicherungssystemen der Fall, deren Aufgabe es ist, die Unfallfreiheit des Zugverkehrs zu gewährleisten.

In Zusammenarbeit mit anderen Instituten der Universität (u.a. ACS, AIA, IEM, IME, PGS, WZL) und Partnern aus der Wirtschaft, ist außerdem ein Hardware-in-the-Loop Prüfstand für WEA mit einer Leistung von bis zu einem Megawatt aufgebaut worden. An diesem kann die gesamte Gondel einer WEA mit Antriebsstrang und Steuerungstechnik unter realitätsnahen Bedingungen sowohl auf mechanische als auch auf elektrische Eigenschaften hin untersucht werden.

Das Konzept von SiPoS-Rail ist im Rahmen des europäischen Zugsicherungssystems ETCS anwendbar, bei dem sogenannte Balisen zum Einsatz kommen, die die Funktion der oben beschriebenen elektronischen Meilensteine übernehmen. Die im Rahmen von SiPoS-Rail entwickelte Lokalisierungseinheit wird bei Messfahrten im Prüf- und Validationcenter WegbergWildenrath erprobt, sodass die praktische Verwendbarkeit des Ansatzes nachgewiesen werden kann.

Zusammen mit der Gondel einer Windenergieanlage der Firma Vestas bietet der Prüfstand so für die Forschung die ideale Plattform Neuentwicklungen unter realen Bedingungen zu erproben und die Lücke zwischen Simulationen und Prototypentests im Feld weiter zu schließen.

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Engelhardt, T.; Rütters, R.; Katriniok, A.; Abel, D.: automotiveGATE und railGATE, Testgebiete für Galileo-basierte Fahrzeugführung auf Schiene und Straße. In: AUTOMATION 2011, Der 12. Branchentreff der Mess- und Automatisierungstechnik, VDI-Berichte 2143, Kongress Baden-Baden.

»» Wada, T.; Jarmolowitz, F.; Abel, D.; Peters, N.: An Instability of Diluted Lean Methane/Air Combustion: Modeling and Control. In: Combustion Science and Technology, 183: 1, 1–19, 2011, Taylor & Francis Group.

»» Albin, T.; Drews, P.; Heßeler, F.; Abel, D.; Brassat, A.; Morcinkowski, B.; Pischinger, S.: Modellbasierte Optimalregelung der ottomotorischen kontrollierten Selbstzündung (GCAI) mit variablem Ventiltrieb und Mehrfacheinspritzung. (Best Paper Award). In: AUTOREG 2011 - Steuerung und Regelung von Fahrzeugen und Motoren.

»» Maschuw, J. P.; Diab, H.; Abel, D.; Kowalewski, S.: Control Design for Generalized Platoon Problems. In: at - Automatisierungstechnik, 2011, Jahrgang 59, Heft 12, S. 721-729, Oldenbourg Verlag.

»» Hakenberg, M.; Keßler, G. C.; Schindelar, K.; Abel, D.: Boundary Actuation in Galerkin-Models of Linear Distributed Parameter Systems. In: Proceedings of the 18th World Congress, IFAC - The International Federation of Automatic Control, Milano (Italy) August 28 - September 2, 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 3.444.000 €

Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik Forschungsschwerpunkte 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 sekretariat@lrst.rwth-aachen.de www.lrst.rwth-aachen.de

Zu den genannten Themenkomplexen werden grundlegende Forschungsarbeiten durchgeführt; bezüglich der Sicherheitsbehälter von Leichtwasserreaktoren zählen dazu: »» Quantifizierung von Sicherheitsreserven und Optimierung von Komponenten zur sog. passiven Nachwärmeabfuhr »» Test, Beurteilung und Weiterentwicklung von H2-Rekombinatoren zur Wasserstoffbeherrschung bei potentiellen schweren Störfällen »» Analytische und experimentelle Untersuchungen zum Aerosolverhalten unter Störfallbedingungen »» Anwendung moderner CFD-Methoden zu Detailuntersuchungen der Thermohydraulik »» Analytische und experimentelle Untersuchung der Wandkondensation in Anwesenheit nichtkondensierbarer Gase

»» Studienrichtungen Energietechnik (Reaktorsicherheit und - technik, Kraftwerkstechnik, Regenerative Energietechniken) »» Schwerpunkte Reaktorsicherheit, Reaktortechnik, Strahlenschutz, alternative Energietechniken »» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 12 wiss. Mitarbeiter/-innen, 3 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 38 stud. Mitarbeiter/-innen

Im Bereich der Hochtemperaturreaktoren erfolgen Arbeiten mit dem Fokus auf: »» Fluidmechanik in Normalbetrieb und Störfällen »» Spaltproduktverhalten bei und Beherrschung von Druckentlastungsund Lufteinbruchsstörfällen »» Untersuchungen zu spezifischen Fragestellungen, die sich im Zuge von Planung und Bau neuer Hochtemperaturreaktoren in China ergeben »» Untersuchungen zur kombinierten Erzeugung von Strom und Prozesswärme

Ausgewählte laufende Projekte »» Projekt REKO Katalytische Rekombination von Wasserstoff in Sicherheitsbehältern von Kernkraftwerken bei schweren Störfällen

»» Projekt NACOK II Experimente zur Verbesserung der Modellierung von Lufteinbruchsstörfällen bei gasgekühlten VHTR

In Leichtwasserreaktoren können im Verlauf eines Störfalls mit Kühlmittelverlust bei Ausfall relevanter Sicherheitseinrichtungen und der nachfolgenden Überhitzung des Reaktorkerns durch Reaktion von Wasserdampf mit den Hüllen der Brennelemente in kurzer Zeit wesentliche Wasserstoffmengen entstehen. Auf Empfehlung der ReaktorSicherheitskommission werden katalytische Rekombinatoren in den Sicherheitsbehältern deutscher Leichtwasserreaktoren eingesetzt, um den möglicherweise im Verlauf eines Störfalls freigesetzten Wasserstoff zu beseitigen und so mögliche Gefahren im Zusammenhang mit Wasserstoffverbrennungen zu vermeiden oder - im Fall auslegungsüberschreitender Unfälle - zumindest die Verbrennungslasten zu reduzieren.

Die Druckentlastung des Kühlkreislaufs infolge Leckage stellt beim VHTR eines der größten Störfallrisiken dar, da einerseits mit dem ausströmenden Kühlmittel auch feste Spaltprodukte, Aerosole und Graphitstaub ausgetrieben werden und andererseits nach dem Ausströmvorgang Luft in den Kreislauf und damit in den Reaktorkern eindringen kann. Luftsauerstoff kann mittels Korrosion die graphitischen Strukturen und die Brennelemente schädigen bzw. bei genügend langem und intensivem Eindringen auch zerstören. Dieser zusammenhängende Themenkomplex wird experimentell und analytisch untersucht. Im Zentrum der Untersuchungen stehen die fluidmechanischen Verhältnisse im Reaktorkern und die Austauschvorgänge an diversen Bruchgeometrien des Druckbehälters bzw. der druckführenden Verbindungsleitungen. Dabei stehen Versuche mit kugelförmigen Brennelementen im Vordergrund, aber auch vergleichende Versuche mit blockförmigen Brennelementen sollen durchgeführt werden, da diese gerade auch bei GIF Gegenstand internationaler Aktivitäten sind.

Ziel des BMWi-Fördervorhabens ist die Verbesserung der Methoden zur sicherheitstechnischen Bewertung katalytischer Rekombinatoren. Dies beinhaltet die weitere Verbesserung vorhandener Rechenprogramme und Modellvorstellungen sowie deren Absicherung durch experimentelle Daten. Vertiefte Erkenntnisse zum Betriebsverhalten katalytischer Rekombinatoren sollen die realistische Modellierung von Rekombinatoren in Störfallcodes bzw. -analysen ermöglichen. Für die experimentellen Arbeiten stellt das IEK-6 (Institut für Energie-& Klimaforschung, Teilbereich Reaktorsicherheitsforschung) des Forschungszentrums Jülich den REKO-4 Behälter und die Infrastruktur zur Verfügung.

Der Großversuchsstand ‚Naturzug im Core und Korrosion (NACOK)’ am Forschungszentrum Jülich soll dabei der Validierung und Weiterentwicklung bestehender Modelle zur Beschreibung der komplexen Phänomene dienen.

»» Projekt INA Investigations on Nuclear Aerosols Im Falle eines schweren Störfalls in einem Leichtwasserreaktor tritt im Sicherheitsbehälter ein erheblicher Teil der Spalt- und Aktivierungsprodukte in Form luftgetragener Aerosole auf. Diese können sich ablagern und in Abhängigkeit des Störfallverlaufs teilweise auch wieder freigesetzt werden. Da sie signifikant zu einem potenziellen radioaktiven Quellterm in die Umwelt beitragen, kommt ihnen im Rahmen der Reaktorsicherheitsforschung ein besonders hoher Stellenwert zu. Im Zuge eines vom BMWi geförderten Forschungsvorhabens werden grundlegende Versuche zum Verhalten von Aerosolen durchgeführt. Im Fokus steht das Verhalten von Misch- und Brandaerosolen. Besondere Aufmerksamkeit genießt in diesem Zusammenhang die Fragestellung, wie repräsentative Aerosole reproduzierbar und mit möglichst störfallnahen Eigenschaften für Versuche im Rahmen der Reaktorsicherheits-forschung erzeugt werden können. Großer Wert wird auf die Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Fachleuten gelegt, um zukunftsweisende Verfahren zu entwickeln. Die praktischen Arbeiten an diesem Forschungsvorhaben finden in enger Kooperation mit dem IEK-6 des Forschungszentrum Jülichs statt.

Ausgewählte Veröffentlichungen »» S. Krajewski; H.-J. Allelein; G. Weber: Multi-Compartment COCOSYS-AIM Analysis of the Iodine Behavior in a Reactor Containment during a Severe Accident Proceedings of ICONE19, 19th International Conference on Nuclear Engineering, May 16-19, 2011, Chiba, Japan.

»» Kelm, S., Reinecke, E.-A., Jahn, W., Allelein H.-J. : Simulation of hydrogen mixing and mitigation by means of passive autocatalytic recombiners Proc. 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-14), Toronto, Ontario, Canada, September 25-29, 2011.

»» Allelein,H.-J.; Kasselmann,St.; Xhonneux,A.; Herber,S.-C.: Progress on the development of a fully integrated HTR code package Nuclear Engineering and Design, Available online 19 October 2011, SSN 0029-5493, 10.1016/j.nucengdes.2011.09.053.

»» Simon, B. : Erste Untersuchungsergebnisse zur Wasserstoffrekombination unter Naturkonvektionsbedingungen im neuen Versuchsstand REKO-4 Proc. Jahrestagung Kerntechnik 2011, Workshop Kompetenzerhalt in der Kerntechnik, 17.-19. Mai 2011, Berlin.

»» Philipp Broxtermann; Hans-Josef Allelein: SIMULATION OF AP1000’S PASSIVE CONTAINMENT COOLING WITH THE GERMAN CONTAINMENT CODE SYSTEM COCOSYS 20th International Conference Nuclear Energiy for New Europe 2011, Bovec, Slovenia, September 12-15.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 1.063.000 €

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik Forschungsschwerpunkte 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.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow

Die Arbeiten sind inhaltlich auf folgende Forschungsgruppen aufgeteilt:

Schinkelstraße 8 52062 Aachen

LTT - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik

»» Energiesystementwicklung: Zur Analyse des dynamischen Verhaltens und zur Optimierung vonEnergiesystemen werden Software-Werkzeuge entwickelt. Dabei werden sowohl einzelne Komponenten als auch ganze Systeme betrachtet, die sich bis zur stofflichen Integration von Energie- und Verfahrenstechnik erstrecken.

Tel.: +49 241/80-95381 Fax: +49 241/80-92255 secretary@ltt.rwth-aachen.de 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.

»» Studienrichtungen 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

»» 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.

»» Personal 2 Professoren, 1 Obering./-innen, 30 wiss. Mitarbeiter/-innen, 12 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 51 stud. Mitarbeiter/-innen

Vom Lehrstuhl für Technische Thermodynamik wurden in 2011 folgende Vorlesungen angeboten: »» Thermodynamik I/II (Bachelor) »» Energiesystemtechnik »» Einbindung regenerativer Energiesysteme »» Angewandte Molekulare Thermodynamik »» Angewandte Quantenchemie für Ingenieure

Ausgewählte laufende Projekte »» 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 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.

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

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 in Zusammenarbeit mit unseren Partnern erfolgreich demonstriert werden.

Abb. 1: Systemfließbild „Dream Production“, PUR-Herstellung aus CO2

Abb. 2: Zeolithspeicherprüfstand am LTT

»» Molekulare Modellierung zukünftiger Biokraftstoffe

»» Trennung chiraler Biomoleküle

An der RWTH werden im Exzellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ neue Methoden zur Definition und Herstellung eines nachhaltigen Kraftstoffes erarbeitet.

Chirale Moleküle, sog. Enantiomere, unterscheiden sich wie die linke und rechte Hand: Sie bestehen aus denselben Bausteinen; sind aber Spiegelbilder. Ein sehr bekanntes, aber leider auch trauriges Beispiel dafür ist der Conterganskandal. Aber auch die Moleküle, die die Aromen von Minze und Kümmel ausmachen, unterscheiden sich lediglich durch eine Spiegelung. Oft hat nur ein Enantiomer die erwünschten Produkteigenschaften. Allerdings ist die Trennung von Enantiomere sehr schwierig, da sich zwei Spiegelbilder sehr ähnlich sind.

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 Forschungsvorhaben „Trennung chiraler Biomoleküle durch Kopplung von Pertraktion mit gestützten Flüssigmembranen und Kristallisation“ wird ein neuer Prozess zur Enantiomertrennung grundlegend untersucht. Die Arbeiten erfolgen gemeinsam mit Partnern vom KIT und vom MPI Magdeburg. Das Ziel unseres Teilprojekts ist die Vermessung des Gleichgewichts zwischen der organischen Membranphase und der umgebenden wässrigen Phase. Dafür kommt eine Kombination aus Raman-Spektroskopie und Polarimetrie zum Einsatz (s. Abb. 3). Auf Basis der gewonnen experimentellen Daten soll ein thermodynamisches Modell mit enantiomerspezifischen Parametern entwickelt werden. Damit wird die Basis für ein besseres Verständnis des Pertraktionvorgangs bereitgestellt, sodass der Prozess optimiert werden kann.

Abb. 3: Kombination Polarimetrie-Raman Spektroskopie zur Analyse chiraler Biomoleküle

Ausgewählte Veröffentlichungen »» 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.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 840.000 €

Model-based Fuel Design

Forschungsschwerpunkte 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 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.

leonhard@ltt.rwth-aachen.de 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.

»» Studienrichtungen Energietechnik, Verfahrenstechnik »» Schwerpunkte Entwicklung prädiktiver Stoffdatenmodelle, Modellbasiertes Design in Energie- und Verfahrenstechnik »» Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 7 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 8 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» Ab initio Zündkinetik

»» Vorhersage der Schmierfähigkeit

Zur modellbasierten Kraftstoffentwicklung muss die Zündkinetik des Kraftstoffs modelliert werden. Solche Kinetiken lassen sich in Verbrennungsmechanismen abbilden, die Hunderte oft empirisch ermittelter Reaktionsraten enthalten. Mit ab-initio Methoden berechnete Raten sind oft genauer und erlauben die Voraussage kinetischer Kraftstoffeigenschaften.

Mit molekularen Deskriptoren aus COSMO-RS wurde eine „Quantitative Structure-Property Relationship“ (QSPR) für die Vorhersage des Schmierfähigkeitsverhaltens einer Reihe von potentiellen Kraftstoffmolekülen entwickelt. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) wurde das entwickelte QSPR-Modell validiert und anschließend für die Vorhersage von Reibnarben (Wear Scar Diameter, WSD) genutzt, die in High Frequency Reciprocating Rig (HFRR) Experimenten gemessen wurden und Hiweise auf die Schmierfähigkeit in Einspritzpumpem geben. Das prädiktive QSPR-Modell beschreibt die Schmierfähigkeit durch die WSD-Werte von herkömmlichen Diesel- und Biodiesel-Komponenten anhand der Ladungsverteilung an der Oberfläche des Moleküls. Für Schmierstoffe mit sehr ähnlichen Ladungsverteilungen, wie Alkane, werden zusätzliche Parameter benötigt, die abhängig von der molekularen Geometrie sind. Selbst wenn keine derartigen Parameter enthalten sind, erlaubt ein auf einem einzigen Deskriptor basierendes Modell eine grobe Kategorisierung der untersuchten Substanzen. So kann der experimentelle Aufwand einer vorläufigen Schmierstoffauswahl mit Hilfe der QSPR-Methode erheblich reduziert werden.

Wir nutzten solche Methoden, um Reaktionsraten des potentiellen Biokraftstoffs n-Butanol mit HO2 zu berechnen, da sich hierfür verschiedene Abschätzungen aus der Literatur stark unterschieden. Die Raten wurden mit unseren Kooperationspartnern in einen verbesserten Mechanismus eingebaut, der mit neuesten Messungen bei höheren Drücken übereinstimmt und auch das dabei gefundene NTC-(Negative Temperature Coefficient)Verhalten beschreibt (Vranckx 2010).

Abb. 1: Quantenmechanische ab initio Rechnungen liefern Reaktionsraten für einen Verbrennungsmechanismus von n-Butanol, der mit neuen Hochdruckexperimenten übereinstimmt (Vranckx 2011)

Abb. 2: Schmierfähigkeitsvorhersage verschiedener Kraftstoffmoleküle (Masuch 2011)

»» Trennung chiraler Biomoleküle Chirale Moleküle, sog. Enantiomere, unterscheiden sich wie die linke und rechte Hand: Sie bestehen aus denselben Bausteinen; sind aber Spiegelbilder. Ein sehr bekanntes, aber leider auch trauriges Beispiel dafür ist der Conterganskandal. Aber auch die Moleküle, die die Aromen von Minze und Kümmel ausmachen, unterscheiden sich lediglich durch eine Spiegelung.

Das Ziel unseres Teilprojekts ist die Vermessung des Gleichgewichts zwischen der organischen Membranphase und der umgebenden wässrigen Phase. Dafür kommt eine Kombination aus Raman-Spektroskopie und Polarimetrie zum Einsatz (s. Abb. 3). Auf Basis der gewonnen experimentellen Daten soll ein thermodynamisches Modell mit enantiomerspezifischen Parametern entwickelt werden. Damit wird die Basis für ein besseres Verständnis des Pertraktionvorgangs bereitgestellt, sodass der Prozess optimiert werden kann (Gou 2011).

Oft hat nur ein Enantiomer die erwünschten Produkteigenschaften. Allerdings ist die Trennung von Enantiomere sehr schwierig, die sich zwei Spiegelbilder sehr ähnlich sind. Im Forschungsvorhaben „Trennung chiraler Biomoleküle durch Kopplung von Pertraktion mit gestützten Flüssigmembranen und Kristallisation“ wird ein neuer Prozess zur Enantiomertrennung grundlegend untersucht. Die Arbeiten erfolgen gemeinsam mit Partnern vom KIT und vom MPI Magdeburg.

Abb. 3: Kombination Polarimetrie-Raman Spektroskopie zur Analyse chiraler Biomoleküle

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Stijn Vranckx, K. Alexander Heufer, C. Lee, Herbert Olivier, Leonhard Schill, Wassja A. Kopp, Kai Leonhard, Craig A. Taatjes und Ravi X. Fernandes: Role of peroxy chemistry in the high-pressure ignition of n-butanol – Experiments and detailed kinetic modelling Combustion and Flame, 158(8):1444-1455, 2011.

»» Kai Masuch, Arshia Fatemi, Hubertus Murrenhoff und Kai Leonhard: A COSMO-RS based QSPR model for the lubricity of biodiesel and petrodiesel components Lubrication Science, 23(6):249–262, 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.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 429.000 €

Forschungs- und Lehrgebiet Hochtemperatur-Werkstoffmechanik / Allg. Mechanik (RWTH-IAM / FZ Jülich)

Forschungsschwerpunkte Mechanisches Verhalten von Hochtemperaturwerkstoffen aus allen Gebieten der Energietechnik, insbesondere:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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 Gastrennmembransysteme »» Innovative Feuerfestwerkstoffe mit reduziertem Kohlenstoffgehalt »» Höchstfeste Transparentkeramiken

Forschungszentrum Jülich Institut für Energie- und Klimaforschung IEK - 2 Werkstoffstruktur und Eigenschaften Wilhelm-Johnen-Straße 52425 Jülich Tel.: +49 2461/61-4425 Fax: +49 2461/61-6464 t.beck@fz-juelich.de www.fz-juelich.de

»» Studienrichtungen Wirtschaftsingenieurwesen - Diverse Fachrichtungen »» Schwerpunkte Forschung auf den Gebieten Metallische Hochtemperaturwerkstoffe, Schutzschichtsysteme, Gastrennmembranen Lehre: Allgemeine Mechanik - Grundlagen »» Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 17 wiss. Mitarbeiter/-innen, 8 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 2 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» 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. Schwerpunkte der laufenden zweiten Projektphase sind die Analyse der Interaktion von Segmentierungs- und Delaminationrissen sowie des Einflusses mittels Laserablation hergestellter periodischer Grenzflächenstrukturen auf das Versagensverhalten. 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 WING-geförderten Verbundprojekt gemeinsam mit der Uni Erlangen und FederalMogul Nürnberg werden Druckguss- und NiederdruckKokillengusstaugliche 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 BMBF-geförderten Projekt werden 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. Eine neu entwickelte Legierung 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 wurde gemeinsam mit den RWTH-Instituten IWM und IEHK ein DFG-Paketantrag erarbeitet. Dieses Vorhaben wird durch eine Promotion im Rahmen des Stipendienprogramms der Jülicher Graduiertenschule HITEC flankiert. Zur Erforschung der Schweißbarkeit dieser Werkstoffklasse wurde ein gemeinsames Projekt 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 untersucht.

»» Charakterisierung und Weiterentwicklung reaktivgelöterer Metall-Keramik Verbunde

»» Keramische Werkstoffe für Hochtemperaturbrennstoffzellen und Gastrennmembranen

In 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. Für die Untersuchung des Einflusses mechanischer Beanspruchung auf die Degradation in anwendungsnahen Dualatmosphären (Argon-Wasserstoff / Luft) wurde ein Versuchsstand aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen.

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 mkeramischer Funktionsund Isolationsschichten für Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme werden derzeit 4 Projekte mit erheblicher Industriebeteiligung bearbeitet.

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Rutkowski, B.; Malzbender, J.; Beck, T.; Steinbrech, R.W.; Singheiser, L.: Creep Behaviour of Tubular Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 Gas Separation Membranes, Journal of the European Ceramic Society, 31 (2011) 4, 493 - 499.

»» Schweda, M., Beck, T., Singheiser, L.: 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.

»» Kuhn, B.; Asensio, C.; Niewolak, L.; Hüttel, T.; Beck, T.; Hattendorf, H.; Singheiser, L.; Quadakkers, W.J.: Effect of Laves Phase Strengthening on the Mechanical Properties of High Cr Ferritic Steels for Solid Oxide Fuel Cell Interconnect Application, Materials Science and Engineering A, 528 (2011) , 5888 - 5899.

»» Köhl, M., Bram, M., Moser, A., Buchkremer, H.P., Beck, T., Stöver, D.: Characterization of porous, net-shaped NiTi alloy regarding its damping and energy-absorbing capacity, Materials Science and Engineering: A, Volume 528, Issue 6, 15 March 2011, Pages 2454-2462.

»» Rutkowski, B.; Malzbender, J.; Steinbrech, R.W.; Beck, T.; Bouwmeester, H.J.M.: Influence of Thermal History on the Cubic-To-Hexagonal Phase Transformation and Creep Behaviour of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 Ceramics, Journal of Membrane Science, 381 (2011) 1/2, 221 - 225.

Drittmittelausgaben 2011

Anzahl der Drittmittelprojekte: 16

Lehrstuhl für computergestützte Analyse technischer Systeme Forschungsschwerpunkte 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 office@cats.rwth-aachen.de www.cats.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Computational Engineering Science, Grundlagen des Maschinenwesens »» Schwerpunkte Rechnergestützte Analyse von Strömungsvorgängen mit Anwendungen der Medizintechnik, Produktionstechnik und Aerodynamik

In dem Studiengang Computational Engineering Science (CES) bietet der Lehrstuhl die Pflichtvorlesungen CES Mechanik I/II sowie Simulationstechnik im Bachelor Maschinenbau zusammen mit AVT.PT an. Im CES werden verschiedene Wahlpflichtvorlesungen angeboten, u.a. Parallel Computing for Computational Mechanics, XFEM und Finite Elements in Fluids.

»» Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 11 wiss. Mitarbeiter/-innen, 7 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 8 stud. Mitarbeiter/-innen

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- und 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 und ist am Betrieb der German Research School for Simulation Sciences beteiligt.

Ausgewählte laufende Projekte »» Numerische Simulation der Wechselwirkung zwischen Fluid und kolloidalen Systemen Die Fluid-Struktur-Interaktion wird partitioniert gelöst und bis zur gegebenen Konvergenzgrenze iteriert. Üblicherweise werden Simulationen unterstützend für bestehende Experimente durchgeführt, um Materialkosten und zeitlichen Aufwand zu begrenzen. In diesem Projekt allerdings ist die Simulation dem Experiment in Detailgenauigkeit und Skalierung bislang überlegen, sodass tatsächlich bis heute kein direkter Vergleich zwischen den Ergebnissen der FEM Simulationen und experimentellen Untersuchungen möglich war. Innerhalb des SPP 1273 werden in Kooperationen nun zwei Wege verfolgt, diese Lücke zu schließen. Aufgrund des hohen rechnerischen Aufwandes bleiben die Berechnungen mithilfe der FEM auf einzelne Aggregate mit bis zu ca. 50 Partikeln nach oben beschränkt. Im Experiment, auf der anderen Seite, werden kleine Aggregate durch das Zermahlen größerer Aggregate hergestellt und die Partikelanzahl ist auf natürliche Weise nach unten hin beschränkt. Auf dem ersten Weg soll durch Modellierung eine Brücke geschlagen werden, welche mithilfe der Methode der diskreten Elemente (DEM) und der Stokes‘schen Dynamik (SD) (für sphärische Partikel) innerhalb des gleichen Projekts B1 am Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik der TU München erarbeitet wird. Innerhalb der Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz wurde nun zudem ein Experiment entworfen, das den FEM Simulationen in der Skalierung bisher am stärksten entgegen kommt. In einem Mikrofluidkanal werden Kolloide aufgebracht und einer Scherströmung aus-gesetzt. Mit einem polarisierten konfokalen Mikroskop können die Primärpartikel 3-dimensional aufgelöst werden und Position sowie Drehwinkel können über die Zeit beobachtet werden, mit einer Rate von unterhalb einer Minute. Zusätzlich können mit Markerpartikeln und Fluoreszens-Korrelations-Spektroskopie die Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids bestimmt werden. Somit wird es zum ersten Mal möglich sein, unsere hochaufgelösten Simulationen direkt mit einem Experiment zu vergleichen.

Kolloidale Systeme sind im weitesten Sinne Systeme von auf der einen Seite kleinen Teilchen oder Tröpfchen und auf der anderen Seite einem Dispersionsmedium. Letzteres kann fest, flüssig oder gasförmig sein. Bei einem flüssigen Medium zum Beispiel beeinflusst die Konzentration der Partikel bzw. Tröpfchen die Fließfähigkeit des Gemischs, sodass von Pasten über Gele bis hin zu Flüssigkristallen ein ganzer Zoo an Dispersionen existiert, der zu den kolloidalen Systemen gezählt wird. Im Rahmen des Projekts B1 des Schwerpunktprogramms SPP 1273 Kolloidverfahrenstechnik der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden Aggregate fester Partikel in inkompressiblen Flüssigkeiten untersucht.

Aufgrund starker kohäsiver Kräfte zwischen Primärpartikeln bilden sich in kolloidalen Suspensionen oft größere Aggregate. Die Struktur solcher Aggregate ist in ruhenden Flüssigkeiten gut verstanden. Unter Prozessbedingungen jedoch sind solche Aggregate aufgrund der Strömungsverhältnisse meist großen Scherkräften ausgesetzt, durch welche Größe und Struktur der Aggregate signifikant beeinflusst werden. Mithilfe der Methode der finiten Elemente (FEM) können hochaufgelöste Simulationen der FluidStruktur-Wechselwirkung durchgeführt werden und sowohl die Änderung der Strömungsge-schwindigkeiten als auch die Kräfte, die auf die Primärpartikel und deren Bindungen wirken, untersucht werden. Dadurch lassen sich Aussagen über mögliche Restrukturierungen einzelner Aggregate treffen. Mit einem geeigneten Modell möchte man hierüber Einsichten in die Rheologie von kolloidalen Systemen erlangen, die beliebig viele Aggregate enthalten.

Abb. 2: Schemazeichnung des Experiments zur Messung der Partikelpositionen und Orientierungen innerhalb einer Scherströmung mithilfe eines konfokalen Lasermikroskops

Zur Simulation einzelner Aggregate in inkompressiblen Strömungen wird das am CATS entwickelte Finite-Elemente-Simulationsprogramm XNS verwendet. Hiermit können die Strömungsgleichungen – im Falle der kriechenden Strömung sind dies die Stokesgleichungen – für das die Aggregate umgebende Fluidvolumen gelöst werden, und die Starrkörperbewegungen mit einem vierschrittigen Runge-Kutta Löser.

Abb. 1: FEM Simulation einer Fluid-Struktur-Interaktion. Stromlinien um ein Aggregat, sowie Druckverteilung auf der Aggregatoberfläche.

Ausgewählte Veröffentlichungen »» H. Sauerland and T.-P. Fries: The Extended Finite Element Method for Two-Phase and Free-Surface Flows, A Systematic Study, Journal of Computational Physics, 230 (2011), 3369–3390.

»» M. Hormes, R. Borchardt, I. Mager, T. Schmitz-Rode, M. Behr and U. Steinseifer: A Validated CFD Model to Predict O2 and CO2 Transfer Within Hollow Fiber Membrane Oxygenators, International Journal of Artificial Organs, 34 (2011) 317–325.

»» D. Papadopoulos, M. Herty, V. Rath and M. Behr: Identification of Uncertainties in the Shape of Geophysical Objects with Level Sets and the Adjoint Method, Computational Geosciences, 15 (2011) 737–753.

»» W. Michaeli, C. Windeck, M. Behr, S. Elgeti, M. Probst, and M. Nicolai: Automatische Optimierung in der Profilextrusion, atp edition, 3 (2011) 54–61.

»» J. Nam, M. Behr and M. Pasquali: Space-Time Least-Squares Finite Element Method for Convection-Reaction Systems with Transformed Variables, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 200 (2011) 2562–2576.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 786.000 €

Institut für Oberflächentechnik

Forschungsschwerpunkt 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.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin IOT - Institut für Oberflächentechnik Kackertstraße 15 52072 Aachen Tel.: +49 241/80-95329 Fax: +49 241/80-92941 info@iot.rwth-aachen.de www.iot.rwth-aachen.de

Das Institut umfasst insgesamt vier Forschungs- und Entwicklungsbereiche: »» Löttechnologie »» Thermisches Spritzen »» PVD-Werkzeugbeschichtung »» PVD-Bauteilbeschichtung

»» Studienrichtungen Produktionstechnik, Oberflächentechnik »» Schwerpunkte Oberflächentechnik, Beschichtungstechnik, Tribologie, Korrosion, Löttechnik »» Personal 1 Professorin, 2 Obering./-innen, 20 wiss. Mitarbeiter/-innen, 17 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 19 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» DFG SFB TRR 87 Gepulste Hochleistungsplasmen zur Synthese nanostrukturierter Funktionsschichten

»» IGF 16.434 N

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TR 87 werden die grundlegenden Mechanismen auf dem Syntheseweg in Hochleistungsplasmen im Bereich der Beschichtungstechnik erforscht. Hierzu umfasst das Forschungsprojekt den gesamten Spannungsbogen von den eingestellten Prozessparametern an der Anlage über das einzelne Atom in der Gasphase und der Wechselwirkung mit dem Festkörper bis hin zu den mechanischen und chemischen Eigenschaften und dem Einsatz beschichteter Bauteile. Die enge Kooperation und das Verständnis der Einzelschritte soll eine geschlossene Betrachtung des gesamten Ablaufs ermöglichen. Damit ist es das Ziel, eine Methodik zu entwickeln, die auf Grundlage des Belastungskollektivs einer beliebigen Anwendung auf eine bestimmte chemische Zusammensetzung einer geeigneten Schicht und die entsprechenden Prozessparameter schließen lässt. Auf diese Weise soll der Entwicklungsaufwand neuartiger Plasmabeschichtungen reduziert und schon bestehende Plasmabeschichtungen optimiert werden.

Weiterentwicklung eines optimierten korrosionsgeschützten Systems für niedrig legierten Baustahl mit einer thermisch gespritzten Schutzschicht auf Basis modifizierter Zinklegierungen als Ergänzung zum Stückverzinken von Bauteilen

Gemeinsam mit Industrievertretern und den Aachener Instituten für Eisenhüttenkunde und für Stahlbau werden neue Korrosionsschutzkonzepte für Stahlbauwerke wie Brücken, Off-Shore-Windkrafträder oder auch repräsentative Anwendungen wie die Großskulptur „Tiger & Turtle – Magic Mountain“ entwickelt. Als Alternative bzw. Ergänzung zum Feuerverzinken oder als Reparaturlösung kommt dabei das thermische Spritzen zum Einsatz. Neue Beschichtungswerkstoffe u.a. auf ZnMgAl-Basis werden entwickelt, und damit eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit erzielt. Einhergehend mit der Werkstoff- und Prozessentwicklung werden umfangreiche Analysen zum Verständnis der werkstoffkundlichen Mechanismen durchgeführt und die Korrosionsbeständigkeit untersucht, um so eine Qualifizierung für den Einsatz in der Praxie zu erreichen. Abgerundet werden die Forschungsarbeiten durch eine Betrachtung der Nachhaltigkeit unter technischen, ökonomischen und ökologischen Aspekten.

Um den direkten Praxisbezug zu gewährleisten, werden zwei definierte Anwendungen betrachtet. Für metallische Werkstoffe wird das Beschichten von Komponenten für die Kunststoffverarbeitung erforscht. Unter anderem haben hier harte Füllstoffe in der Polymerschmelze hohen Schichtverschleiß zur Folge, weshalb die Schicht gute Verschleißeigenschaften aufweisen sollte. Im Hinblick auf polymere Werkstoffe sollen neuartige Beschichtungen zur Verbesserung der Barriereeigenschaften von Kunststofffolien aus PET entwickelt werden. »» DFG PAK 524 Reaktivlöten von Metall-Keramik-Verbuden: Haftungsmechanismen – Mikrostruktur – Prozesse In einem Forschungsverbund aus dem Institut für Oberflächentechnik, dem RWTH An-Institute ACCESS, dem Instituts für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau und dem Jülicher Institut für Energie und Klimaforschung, Werkstoffstruktur und Eigenschaften werden grundlegende Fragen zur Herstellung von Keramik-Metall-Verbindungen zur Lösung aktueller Herausforderungen der Energietechnik erforscht. So unterliegen für Metall-Keramik-Verbundkomponenten in Membransystemen zur Gasseparation und Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingesetzte sog. Reactive Air Brazing (kurz: RAB) Lote hoher thermisch/mechanischer Beanspruchung aufgrund thermischer Fehlpassung zwischen Lötgut und Fügepartnern sowie Temperaturgradienten und überlagerten externen Lasten. Bisherige Lotsysteme können dieser Beanspruchung nicht ausreichend standhalten. Daher werden die thermochemischen Mechanismen des Lötprozesses erforscht, die Gefügebildung simulativ betrachtet und neue Lot- und Prozesskonzepte entwickelt sowie die Verbunde anschließend hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften charakterisiert.

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Bobzin K., Bagcivan N., Ewering M., Theiß S.: Wear behavior of HPPMS deposited (Ti,Al,Si)N coating under impact loading; Ztg.: Materials Science and Engineering Technology 42 (3) (2011) S. 165-171.

»» Bobzin K., Bagcivan N., Ewering M., Brugnara R.H., Theiß S.: DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al,V,N) and (Cr,Al,W)N thin films for high-temperature friction reduction; Ztg.: Surface and Coatings Technology 205 (2011) 2887-2892.

»» Bobzin K., Schläfer T., Kopp N.: Thermochemistry of brazing ceramics and metals in air, Ztg.: International Journal of Materials Research 2011/08, Page 972-976.

»» Bobzin K., Bolelli G., Bruehl M., Hujanen A., Lintunen P., Lisjak D., Gyergyek S., Lusvarghi L.: Characterisation of plasma-sprayed SrFe12O19 coatings for electromagnetic wave absorption Ztg.: Journal of the European Ceramic Society, Volume 31, Issue 8, July 2011, Pages 1439-1449, ISSN 0955-2219.

»» Bobzin K., Bagcivan N., Petkovic I.: Numerical and experimental determination of plasma temperature during air plasma spraying with a multiple cathodes torch, Ztg.: Journal of Materials Processing Technology 211 (2011) 1620-1628.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 2.525.000 €

Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen

Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christan Brecher

Die Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls Werkzeugmaschinen umfassen Fragestellungen rund um die Maschinen-, Getriebe-, Steuerungs- und Automatisierungstechnik der modernen Produktionstechnik.

WZL - Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen

Unter anderem werden Forschungsarbeiten im Bereich der Berechnung und Optimierung von Werkzeugmaschinen und Handhabungssystemen sowie deren Komponenten, der messtechnischen Untersuchung und Beurteilung von Produktionssystemen, der Antriebstechnik, NC-, RC-, und SPSSteuerungen, Prozessüberwachung und Maschinendiagnose, MenschMaschine-Interaktion, Leittechnik und Automatisierung durchgeführt.

Steinbachstraße 19 52074 Aachen Tel.: +49 241/80-27407 Fax: +49 241/80-22287 info@wzl.rwth-aachen.de www.wzl.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Produktionstechnik »» Schwerpunkte Produktionstechnik, Werkzeugmaschinenbau, Maschinentechnik, Steuerungstechnik, Automatisierungstechnik, Getriebetechnik »» Personal 1 Professor, 4 Obering./-innen, 57 wiss. Mitarbeiter/-innen, 36 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 87 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» Prozessstabilität als Auslegungskriterium für Maschinensysteme und Bearbeitungsprozesse Um die geleisteten Forschungsarbeiten abzusichern und zu nutzen wird ab März 2012 im Rahmen des BMBF Verbundprojekts „ReffiZ“ (Realisierung effizienter Zerspanprozesse) die Berechnung dynamischer Wechselwirkungen zwischen Maschinen und Prozess in den industriellen Produktplanungsprozess übertragen. Mit Hilfe dieses Lösungsansatzes werden direkt bei der Produktentwicklung und der Prozessauslegung ganzheitliche stabilitätslimitierende Fertigungsrestriktionen berücksichtigt.

Zur wirtschaftlichen Auslegung spanender Fertigungsprozesse wird versucht, die Leistungsfähigkeit von Fertigungssystemen unter Einhaltung der geforderten Toleranzen und Oberflächenqualitäten des Werkstücks in vollem Umfang auszunutzen. Jedoch stellen oftmals nicht die installierte Antriebsleistung des Hauptspindelsystems oder die eingesetzten Schneidstoffe eine Grenze der umsetzbaren Zerspanleistung dar, sondern das Auftreten von Prozessinstabilitäten. Ursache dieser Schwingungen sind die dynamischen Wechselwirkungen zwischen Maschine und Prozess. Die Folgen dieser regenerativen Ratterschwingungen sind beispielsweise Werkzeugbruch sowie Maschinen- oder Werkstückschädigung.

Für beide Forschungsvorhaben erfolgt die Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bzw. die Projektbetreuung durch das Forschungszentrum Karlsruhe (PTKA).

Im Rahmen des 2011 beendeten BMBF Verbundprojekts „VispaB“ (Virtualisierung der spanenden Bearbeitung in der Maschinenentwicklung und Prozessoptimierung) wurden Softwarewerkzeuge entwickelt, um die Leistungsfähigkeit von Bearbeitungsprozessen sowohl maschinen- als auch prozessseitig zu steigern. Auf Seite der Werkzeugmaschine wurde dazu die FE-integrierte Stabilitätssimulation für Dreh- und Fräsmaschinen erarbeitet. Dieses Hilfsmittel ermöglicht es die erreichbare Prozessstabilität als Bewertungskriterium im Entwicklungsprozess von Werkzeugmaschinen zu nutzen. Dadurch können beispielsweise unterschiedliche Konstruktionsvarianten gezielt hinsichtlich ihres Stabilitätsverhaltens verglichen und bewertet werden. Für die Auslegung von Bearbeitungsprozessen unter dem Gesichtspunkt maximal wirtschaftlicher Prozessparameter wurde eine eigenständige Stabilitätssoftware entwickelt. Diese Software ermöglicht es auf Grundlage der Berechnung der dynamischen Wechselwirkungen von Maschinen und Prozess ebenfalls für die Dreh- und Fräsbearbeitung Stabilitätskarten zu berechnen.

Abb. 1: VispaB

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Brecher, C.; Breitbach, T.; Herfs, W.; Pohlmann, G.: Wandlungsfähige Produktionssysteme für die Kleinserienproduktion Software für die digitale Inbetriebnahme und Nutzung wandlungsfähiger, automatisierter Arbeitszellen in: ZWF - Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 106 (2011) 3, ISSN 0947-0085, S. 133-137.

»» Jacobs, G.; Hameyer, K.; Brecher, C.: Antriebstechnisches Kolloquium - ATK 2011 - Heavy Drive Train Conference (14. AKT), Apprimus Verlag Aachen 2011, ISBN 978-3-940565-83-9.

»» Brecher, C.; Manoharan, D.; Klein, W.: Strukturintegrierte, adaptronischer Kompensationsmodule für den Einsatz in Strukturbauteilen spanender Werkzeugmaschinen in: Adaptronik für Werkzeugmaschinen - Forschung in Deutschland, Hrsg.: Hesselbach, J.; Maschinenbau, Shaker Verlag Aachen 2011, ISBN 978-38322-9809-8 , S. 1-18.

»» Brecher, C.; Gorgels, C.; Carl, C.; Brumm, M.: Benefit of Psychoacoustic Analyzing Methods for Gear Noise Investigation in: Gear Technology 28 (2011) 5, ISSN 0743-6858, S. 49-55.

»» Brecher, C.; Trofimov, Y.; Bäumler, S.: Holistic modelling of process machine interactions in parallel milling in: CIRP Annals - Manufacturing Technology 60 (2011) 1, ISSN 00078506, S. 387-390.

Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau Forschungsschwerpunkt 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. 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. Die Werkstoffcharakterisierung umfasst u.a. mechanische Prüffelder für Kriechbeanspruchung, quasistatische Prüfung, Schlagbelastung und zyklische Beanspruchungen, Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie und Korrosionsprüfung. 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.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Broeckmann IWM - Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau Augustinerbach 4 52062 Aachen Tel.: +49 241/80-95315 Fax: +49 241/80-92321 info@iwm.rwth-aachen.de www.iwm.rwth-aachen.de

Die Hauptvorlesungen sind:

»» Studienrichtungen Bachelor Maschinenbau und Vertieferrichtungen sowie Materialwissenschaften, Wirtschaftsingenieure, Biomedical Engineering

»» Werkstoffkunde I (für alle Maschinenbauer, Wirtschaftsingenieure Maschinenbau, Materialwissenschaftler) »» Werkstofftechnik Metalle I und II »» Werkstofftechnik Keramik (Vertiefungsrichtung Werkstofftechnik)

»» Schwerpunkte Materialwissenschaften Metalle und Keramik

Darüber hinaus gibt es ein breites Angebot an Wahlfächern zu besonderen Themen aus Metallen und Keramiken.

»» Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 18 wiss. Mitarbeiter/-innen, 20 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 35 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» BMWI-Verbundvorhaben OXYCOAL-AC

»» DFG-Projekt Reaktivlöten von Metall-Keramik-Verbunden

Im BMWI-Verbundvorhaben OXYCOAL-AC wird ein Oxyfuel-Prozess für die CCS-Technologie entwickelt. Wesentliche Aufgabe des IWM war die Entwicklung eines keramischen Hochtemperatur-Membranmoduls zur Sauerstoffseparation aus Luft. Diese Membran aus BSCF-Perowskit-Keramik bildet das Herzstück des gesamten OXYCOAL-AC-Prozesses. Das Zusammenspiel zwischen unterschiedlichen Werkstoffen bei hohen Temperaturen und gleichzeitig hohen mechanischen Belastungen stellt neben der Auswahl der geeigneten Fügeverfahren und der hochtemperaturfesten metallischen Werkstoffe auch hohe Ansprüche an die Bestimmung des mechanischen und chemischen Langzeitverhaltens. Durch die enge Verzahnung von eigener Keramikherstellung, Fügen der keramischen mit den metallischen Bauteilen, der Charakterisierung der Membrane und Module sowie der Simulation der Prozesse und auftretenden Betriebsspannungen konnte die Entwicklung der Sauerstoff-Trennanlage zielgerichtet optimiert werden. Sie führte nach 6 Projektjahren zum Bau eines Pilotmoduls mit 750 Rohren einer Länge von 500 mm. Dieses Modul ist das zurzeit weltweit größte bekannte Test-Modul tubularer keramischer Hochtemperaturmembrane hinsichtlich erreichbarer Sauerstoffrate. In einer weiterführenden Projektphase soll nunmehr die Langzeitstabilität der Membranmaterialien mit allen im direkten Kontakt stehenden Werkstoffen und Gaskomponenten untersucht werden, um eine weitere größere Phase für eine industrielle Erprobung vorzubereiten.

Das DFG-Projekt „Reaktivlöten von Metall-Keramik-Verbunden: Haftungsmechanismen – Mikrostruktur – Prozesse“ hat zum Ziel, die Zusammenhänge zwischen Lötprozess, chemischer Zusammensetzung und Mikrostruktur der Fügepartner und Lote beim so genannten „Reactive Air Brazing“ (RAB) grundlegend zu untersuchen. Die Grenzflächenfestigkeit und das Verbundverhalten sowohl im Ausgangszustand nach der Lötung als auch unter Hochtemperaturbeanspruchung über einen langen Zeitraum stellen dabei einen zentralen Aspekt der Arbeiten dar. Die Forschungsaktivitäten am IWM konzentrieren sich auf Untersuchungen mit dem keramischen Fügepartner Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-d (BSCF), welches als bisher bestes Material für Hochtemperatur-Sauerstoff-Membrane gilt, und einem austenitischen Hochtemperaturstahl (X15CrNiSi25-20). Dabei wird ein AgCuO-Lot verwendet. Die Variation der Kupferkonzentration im Lot hat einen entscheidenden Einfluss auf die resultierende Mikrostruktur und somit die mechanischen Eigenschaften des Lots. Für FEM-Simulationen der mechanischen Verbund-Eigenschaften werden zunächst die mechanischen Kennwerte aller Einzelkomponenten in Zug- und Zeitstandversuchen ermittelt. Eine spätere mechanische Prüfung des gesammten Verbundes dient zur Verifizierung der Simulationen. Abb. 2: Zusammenhang Schlupf und Wälzfestigkeit von einsatzgehärtetem Sinterstahl

Abb. 1: Darstellung des Membranmoduls

In verschiedenenen Vorhaben wurde und wird der Einfluss von Dichte und Schlupf auf die Wälzfestig-keit einsatzgehärteter Sinterstähle (FeCuC mit 1,5 % Cu und 0,3% C) untersucht. Hierzu wurden in Großserie pulvermetallurgisch hergestellte, oberflächenverdichtete sowie einsatzgehärtete Prüfkörper bei Schlupf von 0 - 8% sowie -17% und - 26% untersucht. Anhand von Abschätzungen der Tiefe der Vergleichsspannungsmaxima wurden die Parameter der Oberflächenverdichtung und Einsatzhärtung derart gewählt, dass in den entsprechenden Tiefen volle Dichte bzw. eine Härte von mindestens 550 HV0,1 vorlag. Neben den zugrundeliegenden Wöhlerkurven mit einer Grenzschwingspielzahl von 108 waren Tiefenverläufe der Dichte, Härte und des Kohlenstoffgehaltes, der Eigenspannungen sowie umfangreiche Auswertungen von Schadensbildern Gegenstand der Untersuchung. Durch eine hohe Probenzahl konnte insbesondere das Übergangsgebiet zur jeweiligen Dauerfestigkeit statistisch abgesichert werden. Der gefundene funktionale Zusammenhang zwischen Wälzfestigkeit und negativem Schlupf wird durch die Gleichung: p(H) = p(H-100%) + dp(H) x exp(s/q) beschrieben. Hierbei sind: p(H): ertragbare Hertzsche Pressung; p(H−100%) = ertragbare Hertzsche Pressung bei −100 % Schlupf; dp(H) = Differenz der ertragbaren Hertzschen Pressung zwischen 0 und -100 % Schlupf; s: Schlupf in %; Paramter q = 13,3 ± 1,5 %.

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Duscha, M.; Eser, A.; Klocke, F.; Broeckmann, C.; Wegner, H.; Bezold, A.: Modeling and Simulation of Phase Transformation during Grinding, Advanced Material Research 743 Bd.223 (2011).

»» Van Nguyen, C.; Bezold, A.; Broeckmann, C.: Density Distribution of Powder in a HIP Capsule after Filling ( 2011), Proc. Int. Conference PM 2011; Barcelona, 9.-12.10.2011.

»» 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). »» Salehi, M.; Clemens, F.; Pfaff, E. M.; Diethelm, S.; Leach, C.; Graule, T.; Grobéty, B.: A case study of the effect of grain size on the oxygen permeation flux of BSCF disk-shaped membrane fabricated by thermoplastic processing J. Membrane Science, 382, 186-193 ( 2011).

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 1.769.000 €

Aachener Verfahrenstechnik Bioverfahrenstechnik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jochen Büchs

Ziel der Forschungstätigkeit ist die Entwicklung neuer Methoden und Apparate für eine effiziente Bioprozessentwicklung in der biotechnologischen Wertproduktherstellung. Diese Methoden und Apparate werden in Zusammenarbeit mit der Industrie und anderen Lehrstühlen (Ingenieurswissenschaften, Biologie, Chemie etc.) etabliert und zur Untersuchung von mikrobiellen Systemen und enzymatischen Reaktionen eingesetzt.

AVT.BioVT - Aachener Verfahrenstechnik Bioverfahrenstechnik Worringer Weg 1 52074 Aachen

Folgende Forschungsgebiete werden augenblicklich schwerpunktmäßig bearbeitet:

Tel.: +49 241/80-23569 Fax: +49 241/80-22570

»» 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.

secretary.biovt@avt.rwth-aachen.de www.avt.rwth-aachen.de

»» Fermentationstechnologie: DDieser Bereich umfasst Stofftransportphänomene, das Scale-up sowie die Bilanzierung, Regelung und modellhafte Beschreibung von Fermentations- und Biotransformationsprozessen. Der Lehrstuhl hat einen weltweit einmaligen zum Reaktorkalorimeter erweiterten 10 bar Druckfermenter entwickelt.

»» Studienrichtungen Verfahrenstechnik »» Schwerpunkte Bioverfahrenstechnik »» Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 22 wiss. Mitarbeiter/-innen, 6 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 22 stud. Mitarbeiter/-innen

»» Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse (TMFB): Die AVT.BioVT beteiligt sich am TMFB-Exellenzcluster und fokusiert sich dabei auf folgende Gebiete: Screening nach geeigneten Biokatalysatoren, direkte fermenative 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.

Ausgewählte laufende Projekte »» Automatisiertes Hochdurchsatzscreening von Cellulasen Tailor-Made Fuels from Biomass

»» Scale-Down vom Schüttelkolben in die Mikrotiterplatte Kultivierung unter Berücksichtigung vergleichbarer Sauerstoffverfügbarkeiten

Im Rahmen des Exzellenzclusters „Tailor-Made Fuels from Biomass“ wird daran gearbeitet Biomasse mittels geeigneter Verfahren aufzuschließen und daraus Treibstoffmoleküle zu synthetisieren. Ein wesentlicher Schritt in diesem Prozess ist die enzymatische Spaltung von Cellulose zum Plattformmolekül Glucose.

Dieses Projekt beschäftigt sich mit Scale-down von Enzym produzierenden, viskos wachsenden Mikroorganismen. Als Reaktionsgefäße sollen die Wells von Mikrotiterplatten (MTP) dienen (Abbildung A), die sich aufgrund ihrer geringen Füllvolumina und großen Anzahl ideal für Screening-Prozesse eignen. Bislang fand das Screening von viskosen Systemen vorrangig im Schüttelkolben–Maßstab statt (Abbildung B), da keine ausreichende Durchmischung und somit Sauerstoffversorgung der Mikroorgansimen im MTP-Maßstab gewehrleistet werden konnte. Ein Hochdurchsatz-Screening mit MTPs war daher bisher nicht möglich. Die AVT.Bioverfahrenstechnik beschäftigt sich aus diesem Grund mit der Identifizierung und Optimierung von Prozessparametern im MTP-Maßstab, die sowohl eine ausreichende Durchmischung als auch eine vergleichbare Sauerstoffverfügbarkeit wie in größeren Reaktionsgefäßen gewährleisten.

Um möglichst hohe Umsatzraten zu erzielen, ist es notwendig, optimale Bedingungen für die cellulolytischen Enzyme zu schaffen. In den meisten Fällen stimmen diese aber nicht mit den herrschenden Prozessbedingungen überein. Daher wird daran geforscht, Cellulasen zu identifizieren und charakterisieren, welche unter den gegebenen Bedingungen maximale Aktivität und Stabilität aufweisen. Durch biotechnologische Verfahren, wie Directed Evolution, können existierende Enzyme gezielt verändert bzw. verbessert werden. Aus solchen Verfahren resultieren aber riesige Klonbanken mit modifizierten Enzymvarianten, welche es zu charakterisieren gilt. Aus diesem Grund wurde ein entsprechendes Screening-System entwickelt, welches ein Online-Monitoring System für Kultivierungen und Reaktionen in Mikrotiterplatten mit einem automatisierten Pipettierroboter kombiniert. Dies ermöglicht Experimentieren im Hochdurchsatz bei minimalem manuellem Aufwand.

Im Rahmen dieser Forschungsaktivität wurde das viskose biologische System in ersten wesentlichen Schritten im Schüttelkolben-Maßstab charakterisiert, indem der Einfluss der Sauerstoffversorgung auf Atmung, Produktivität und Viskosität untersucht wurde. Hierzu wurden unter anderem die am Lehrstuhl entwickelten Technologien RAMOS (Abbildung B) und Leistungseintragsschüttler verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass eine steigende Schüttelintensität in einer steigenden Viskosität resultiert. Auf die Produktivität wirkt sich eine verbesserte Sauerstoffversorgung vor allem in einer früheren Induktion der Enzymbildung aus.

Abb. 1: Automatisiertes Screening system für das Screening rekombinanter Cellulasen

Anhand geeigneter Kennzahlen und einem chemischen Modellsystem wurde der Scale-Down in den MTP-Maßstab simuliert. Insbesondere die Verfügbarkeit von Sauerstoff, welcher wichtig für Wachstum und Induktion der Produktivität ist, sollte dabei konstant gehalten werden. Im Hinblick auf eine gute Durchmischung der Flüssigkeit, erlaubten vor allem die Erkenntnisse aus den Vorversuchen eine zielgerichtete Auswahl der Prozessparameter für den MTP-Maßstab. Die Berechnungen wurden anschließend durch gezielte biologische Experimente im Labor untermauert. Die online gemessenen Atmungsaktivitäten und die offline bestimmten Enzymaktivitäten zeigten, dass der Scaledown des viskosen Systems in den MTP-Maßstab erfolgreich durchgeführt werden konnte.

Inzwischen wird das System genutzt, um Klonbanken nach vielversprechenden Enzymkandidaten zu untersuchen, Expressionsorganismen detailliert zu charakterisieren und die Prozessbedingungen für die Produktion rekombinanter Cellulasen zu verbessern.

Abb. 2: Screening- und Kleinkultursysteme: A) Mikrotiterplatte (MTP) und B) Schüttelkolben mit online Sensorik

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Gernot Jäger, Helene Wulfhorst, Erik U. Zeithammel, Efthimia Elinidou, Antje C. Spiess, Jochen Büchs: Screening of cellulases for biofuel production: Online monitoring of the enzymatic hydrolysis of insoluble cellulose using high-throughput scattered light detection, Biotechnol. J. 2011, 6, 74–85.

»» Tobias Klement, Lydia Dankmeyer, Ronald Hommes, Piet van Solingen, Jochen Büchs: Acetate-Glycerol Cometabolism: Cultivating Schizosaccharomyces pombe on a Non-fermentable Carbon Source in a Defined Minimal Medium, J. Biosc. Bioeng. 112(1), 20–25, 2011.

»» Marco Scheidle, Barbara Dittrich, Johannes Klinger, Hideo Ikeda, Doris Klee, Jochen Büchs: Controlling pH in shake flasks using polymer-based controlled release systems with pre-determined release kinetics, BMC Biotechnology, 2011, 11:25.

»» Gernot Jäger, Michele Girfoglio, Florian Dollo, Roberto Rinaldi, Hans Bongard, Ulrich Commandeur, Rainer Fischer, Antje C. Spiess, Jochen Büchs: How recombinant swollenin from Kluyveromyces lactis affects cellulosic substrates and accelerates their hydrolysis, Biotechnology for Biofuels 2011, 4:33.

»» Sven Hansen, Frank Kensy, Andreas Käser, Jochen Büchs: Potential errors in conventional DOT measurement techniques in shake flasks and verification using a rotating flexitube optical sensor, BMC Biotechnology 2011, 11:49.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 1.314.000 €

Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik Forschungsschwerpunkt Die Forschungsschwerpunkte des Instituts für technik und Maschinendynamik gliedern sich in drei Bereiche:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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 mbox@igm.rwth-aachen.de 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

»» Studienrichtungen 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 1 Professor, 1 Obering./-innen, 15 wiss. Mitarbeiter/-innen, 6 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 45 stud. Mitarbeiter/-innen

Lehr- und Forschungsinhalte sind auf der IGM-Webseite dargestellt.

Ausgewählte laufende Projekte »» Robosurf Entwicklung eines Systems zum automatisierten Laminieren Damit gliedert sich das Projekt in folgende Entwicklungseinheiten:

Luftschrauben bzw. auch Propeller werden in der gesamten Luftfahrt eingesetzt, um Schub und damit Vortrieb für den Flug zu erzeugen. Weltweit fliegen rund 1,4 Millionen Flugzeuge und Fluggeräte, bei denen ein oder mehrere Propeller für den Vortrieb sorgen. Die Herstellung dieser Propeller erfolgt im sogenannten Handlaminierverfahren (Nass in Nass). Schicht für Schicht werden Kohlefasergewebe, mehrere Kohlefaser-Gurte sowie Unidirektional-Bänder mit einem glasfaserverstärkten expandierenden Epoxidharz in einer für den jeweiligen Propellertyp entwickelten Form miteinander verbunden. Erst nach der Aushärtung können die Propeller aus den Formen gelöst werden. Im Anschluss an diesen Arbeitsgang erfolgt generell keine weitere Bearbeitung der Propelleroberfläche. Somit spielt das saubere Auftragen der ersten Harzschicht in die Form für die spätere Qualität des Propellers eine entscheidende Rolle, da Kunden diesen ausschließlich anhand der optischen Gesichtspunkte beurteilen können. Fehler bei der Produktion können daher erst immer am Ende des Herstellungsvorgangs, d.h. am fast fertigen Propeller, festgestellt werden.

»» 1. Spritzprozess bzw. Sprühvorrichtung: Entwicklung einer Sprühvorrichtung, die das gleichmäßige Auftragen eines Harzes ermöglicht »» 2. Handhabungseinheit: Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Montage einer Handhabungseinheit, die ein gleichmäßiges und komplettes Besprühen der Form ermöglicht »» 3. Formerkennung: Integration eines Erkennungssystems, das die jeweilige Propellerform aufgrund vordefinierter parametrischer Eigenschaften erkennt (siehe Bild) »» 4. Gesamtkonzept: Kombination von ausgewählter Sprühvorrichtung, entwickelter Handhabungseinheit und Erkennungssoftware Dieses Projekt wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.

»» e-Kinematix Im DFG-Projekt e-Kinematix soll eine virtuelle Forschungsumgebung zur Unterstützung der Entwicklung von Bewegungseinrichtungen aufgebaut werden. Hierzu sollen Technologien zur Projektorganisation, -durchführung und -dokumentation bereitgestellt werden. In einzelnen Modulen werden Werkzeuge zur Verwaltung, Recherche, Synthese und Analyse erstellt. Besonders wichtig bei der Entwicklung ist die Dokumentation der Ergebnisse der Arbeitsschritte und die Verknüpfung der gesammelten Daten. Grundlage für das e-Kinematix Projekt bilden die e-Researchumgegung eSciDoc, die Digitale Mechanismen- und Getriebebibliothek (DMG-Lib) und die Applikation Gecko (siehe Bild). Durch die Kombination entsteht ein umfassendes Werkzeug zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses. Aufgrund der hohen Bedeutung der Qualität der Propelleroberfläche soll das Ziel einer Entwicklung am IGM sein, den Vorgang des Auftragens von Harz in die Form zu automatisieren. Erst mit dieser Maßnahme kann die Fehlerhäufigkeit der fertigen Propellerblätter verringert werden. Erreicht werden soll diese Forderung durch die Entwicklung eines Systems, das eine Harzschicht automatisch und gleichmäßig in die Form sprüht. Dabei sollen bestimmte Sprühparameter so kontrolliert werden, dass die Qualität der später resultierenden Propelleroberfläche verbessert und das Auftreten von Fehlern minimiert wird. Generell werden an das zu entwickelnde System folgende Anforderungen gestellt: »» Kompaktes Gesamtsystem, welches an den jeweiligen Arbeitsplatz gebracht werden kann »» Selbstständige Erkennung der vorliegenden Form vom System anhand bestimmter Parameter »» Automatisiertes und gleichmäßiges Versprühen eines Harzes über den Formbereich »» Deutliche Reduzierung der fehlerbehafteten Propelleroberflächen (derzeit ca. 20 %)

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Hüsing, M.; Riedel, M.; Corves, B.; Nefzi, M.: Development of Tailor-Made Robots - From Concept to Realization for Small and Medium-Sized Enterprises. In: 3th World Congress in Mechanism and Machine Science, Guanajuato, México, 19-25 June. International Federation for the Promotion of Mechanism and Machine Science, 2011.

»» Corves, B.; Lonij, G.; Razum, M.; Reeßing, M.; Brix, T.: e-Kinematix: Virtuelle Forschungsumgebung zur Unterstützung der Getriebeentwicklung. In: 9. Kolloquium Getriebetechnik, 07.09. - 09.09.2011 in Chemnitz. Universitätsverlag Chemnitz, 2011. ISBN: 978-3-941003-40-8, S. 245-261.

»» Corves, B.; Wahle, M.; Lores, E.: Model-based control of a 5 DOF parallel struc-ture for quasi-static motion trajectories. In: MULTIBODY DYNAMICS 2011, ECCOMAS Thematic Conference, Brussels, Belgium, 4-7 July 2011, 2011. ISBN: 978-2-8052-0116-5.

»» Corves, B.; Lonij, G.; Hüsing, M.: Koppelkurvenschrittgetriebe auf der Basis eines fünfgliedrigen Kurbelgetriebes. In: 9. Kolloquium Getriebetechnik, 07.09. - 09.09.2011 in Chemnitz. Universitätsverlag Chemnitz, 2011. ISBN: 978-3-941003-40-8, S. 129-152.

»» Corves, B.; Lovasz, E.-C.; Perju, D.; Modler, K.-H.; Brix, T.; Döring, U.; Lovasz, A.E.; Maniu, I.; Ciupe, V.: Erfahrungen aus der Lehre und Forschung kommen in die ThinkMOTION Datenbank. In: 9. Kolloquium Getriebetechnik, 07.09. - 09.09.2011 in Chemnitz. Universitätsverlag Chemnitz, 2011. ISBN: 978-3-941003-40-8, S. 41-55.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 425.000 €

Institut für Schienenfahrzeuge und Fördertechnik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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 sekretariat@ifs.rwth-aachen.de 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 Tool Simpack überprüft. Werden die Konzepte weiter auf eine Realisierung hin entwickelt, so können sie auch auf Prüfständen (Rollprüfstand, Kraftschlussprüfstand, Messgleis) 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.

»» Studienrichtungen Maschinenwesen, Verkehrstechnik »» Schwerpunkte Forschung und Lehre auf den Gebieten der Schienenfahrzeuge und der Fördertechnik

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.

»» Personal 1 Professor, 0 Obering., 9 wiss. Mitarbeiter/-innen, 7 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 10 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» Fahrzeug/Fahrweg: Rad-Schiene-Kontakt

»» GALILEO above Einsatz von Satellitennavigationsystemen in der Bahntechnik

Das Projekt widmet sich der Problematik der Oberflächenrissbildung bei Radsätzen von Straßenbahnfahrzeugen. Da infolge der geschädigten Oberflächen die Laufflächen der Räder in kurzen Intervallen reprofiliert werden müssen, entstehen Ausfallzeiten durch Werkstattaufenthalte; die insgesamt geringere Lebensdauer der Räder bewirkt weitere Kosten. Im Rahmen des Projektes werden die Schadensbilder analysiert und nach möglichen Ursachen sowie wirksamen Maßnahmen zur Verbesserung geforscht.

Im Rahmen des Projektes Galileo above (Anwendungszentrum für bodengebundenen Verkehr) wird für den Schienenverkehr eine Galileo-Test- und Entwicklungsumgebung (RailGATE) geschaffen. Das von der DLR und dem Land Nordrhein-Westfalen geförderte Projekt soll es ermöglichen, Anwendungen für das zukünftige europäische Satellitennavigationssystem Galileo schon vor dessen Betriebsstart zu testen. Das Erprobungsträgerfahrzeug des IFS wurde für die Anforderungen des Projektes mit entsprechender Sensortechnik ausgerüstet. Als erste Anwendungen werden das kuppelbereite Positionieren von Schienenfahrzeugen sowie die automatische Begrenzung von Rangierbereichen untersucht. Die übergeordnete Zielsetzung ist der Rangierassistent, wobei die Lok automatisch Wagen in einer Gleisharfe umsetzt (Flachrangieren).

»» Fahrweg: Untersuchung der Dauerfestigkeit von Weichenbauteilen Nach ersten Analysen wurde ein Messprogramm erstellt, dann die Messungen an verscheidenen Bauteilen vorgenommen und mit Hilfe der Erkenntnisse der Bruchmechanik ausgewertet. Die Ergebnisse der Tests werden statistisch analysiert und im Hinblick auf die Verifikation der erarbeiteten Hypothesen zur Schadensbildung ausgewertet. Eine Untersuchung der Bauteilbelastungen wird mittels anerkannter und an die speziellen Eigenschaften des Materials angepasster Messtechnik durchgeführt. Ziel ist die Beseitigung von Schwachstellen an Elementen des Fahrwegs.

Abb. 2: IFS Mehrkörper Simulations-Programm

»» Infrastruktur: Balisentests Die Befestigungssysteme von Eurobalisen wurden auf der eigenen Prüfanlage gegen Abreissen getestet. Sowohl die Konzeption des Versuchsaufbaus, die Durchführung der Versuche und die Auswertung wurden gleichermaßen am IFS vorgenommen. »» Prüfstand: Katapultanlage Fahrzeug-Bauteile für den Einsatz im Hochgeschwindigkeitsverkehr - insbesondere Elemente des Fahrwerks - werden hinsichtlich ihrer Durabilität gegen Eisschlag und Schotterflug im Prüfstand „Schotterwurfkatalpult“ untersucht. Unterschiedliche, praxinahe Szenarien können abgebildet werden, wobei Projektilgeschwindigkeiten von bis zu 250 km/h realisierbar sind. Die Versuchsergebnisse sind wichtige Eingangsgrößen für die Forschung an Werkstoffen und deren Weiterentwicklung mit dem Ziel der Steigerung der Zuverlässigkeit von Fahrzeug- und Infrastrukturelementen.

Abb. 3: Rollprüfstand I

Abb. 1: IFS Gebäude und Halle

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Dellmann, Torsten; Abdelfattah, Basem: Multigelenkwagen vs. Einzelgelenkwagen - Straßenbahnkonzepte im Vergleich In: ZEVrail : Glasers Annalen 135, Georg Siemens Verlag, Berlin, 5, S. 176-189.

»» Rütters, René; Lüdicke, Daniel; Schäfer, Björn; Abel, Dirk: Sichere Positionsinformationen für Schienenfahrzeuge mittels GNSSDaten und ortsfesten Elementen In: POSNAV ITS 2011 Konferenz, 22.-23. November 2011 Proceedings, ISSN 2191-8287.

»» Dellmann, Torsten: Praxisnähe wird großgeschrieben In: Rail Business 2011, DVV Media Group, Hamburg, 1, S. 14-15.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 772.000 €

Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University Forschungsschwerpunkt Das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University unter Leitung von Prof. Lutz Eckstein ist das europaweit führende fahrzeugtechnische Institut, das sämtliche Bereiche des Kraftfahrzeugs abdeckt. Bei der Gestaltung innovativer Fahrzeugkonzepte kommen virtuelle Methoden und reale Absicherung eng vernetzt zum Einsatz. Ein spezieller Fokus liegt auf zukunftsweisenden Methoden zur anforderungsgerechten Konzeption und Auslegung innovativer Systeme und Komponenten und der Integration in das Gesamtsystem. Das zukünftige Kraftfahrzeug wird dabei als integraler Bestandteil einer energetisch sowie informatorisch vernetzten, nachhaltigen Mobilität betrachtet.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein IKA - Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University Steinbachstraße 7 52074 Aachen Tel.: +49 241/80-25601 Fax: +49 241/80-22147

Die Aktivitäten des ika erstrecken sich von der Idee bis hin zum fertigen Prototyp. Öffentliche Förderung, Unterstützung durch die Industrie und hoher persönlicher Einsatz aller Mitarbeiter des Instituts ermöglichen ideale Bedingungen für Forschung und angewandte Entwicklung für die Fahrzeugindustrie. Dabei beschäftigt das ika mehr als 130 festgestellte Mitarbeiter und ca. 170 wissenschaftliche Hilfskräfte. Zusätzlich sind ca. 200 Studien- und Diplomarbeiter in Forschung und Entwicklung involviert. Die Lehre, die Forschung in öffentlich geförderten Projekten sowie die industrielle anwendungsnahe Entwicklung bilden die tragenden Säulen der Aktivitäten am ika.

office@ika.rwth-aachen.de www.ika.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Fahrzeugtechnik »» Schwerpunkte Forschung und Entwicklung für die Automobil- und Zulieferindustrie

Das Institut für Kraftfahrzeuge gliedert sich in sieben Bereiche. Dies sind im Einzelnen die Bereiche Fahrwerk, Karosserie, Antrieb, Elektrik/Elektronik, Akustik, Fahrerassistenz sowie Strategie- und Beratung. Dieses breite Spektrum an Kompetenzen ermöglicht die Betrachtung und Analyse des Fahrzeugs als Ganzes unter Betracht des Zusammenspiels aller Einzelkomponenten. Dabei fokussiert das ika die Eigenschaften Sicherheit, Energieeffizienz und Fahrerlebnis der Mobilität sowie die Themen Elektromobilität und Gesamtfahrzeugkonzepte

»» Personal 2 Professoren, 1 Obering./-innen, 85 wiss. Mitarbeiter/-innen, 45 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 170 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» GERMAN DESIGN STUDIO AACHEN (GDSA)

»» SpeedE

Das Institut für Kraftfahrzeuge der RWTH Aachen und der Fachbereich Transportation Design der Hochschule Pforzheim gestalten zukünftig Fahrzeuge unter einem Dach. Dabei stellt ein befahrbares Studio das Zentrum der interdisziplinären Zusammenarbeit von Fahrzeugtechnikern und Designern dar. Ziel der Kooperation ist die gemeinsame Gestaltung wegweisender Konzepte für zukünftige Kraftfahrzeuge. Die Pforzheimer Professoren James Kelly und Lutz Fügener zeichnen für das Design verantwortlich, Prof. Eckstein für die Technik. Durch diese Kooperation entstehen innovative Fahrzeugkonzepte, die einerseits höchste gestalterische Ansprüche und andererseits die komplexen technischen Anforderungen erfüllen. Neben der gemeinsamen Arbeit an innovativen Fahrzeug- und Mobilitätskonzepten stellt die Vernetzung der Lehre einen wesentlichen Baustein dar.

Das neue Fahrzeugkonzept SpeedE zeigt das Innovationspotential von Elektrofahrzeugen. Es entsteht eine Plattform zur Erforschung und Entwicklung innovativer Technologien mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft. Das Konzept zeigt vielfältige Innovationen wie einen fahrerzentrierten Innenraum mit unkonventionellem Package, eine Sidestick-Steuerung der Steer-by-wire Lenkung, neuartige Fahrdynamikfunktionen und rangierfreies Parkieren. Der SpeedE stellt das erste Projekt im Rahmen der Kooperation mit dem Transportation Design der Hochschule Pforzheim von Prof. Kelly und Prof. Fügener im Rahmen des German Design Studios Aachen (GDSA) dar.

»» Leichtbau mit FVK

»» Modulare Fahrwerkssysteme - eMoSys

Die Aktivitäten zum Thema Leichtbau werden seit 2011 im neuen Team „Leichtbauweisen und -werkstoffe“ gebündelt. Neue Werkstoffe sollen durch werkstoff-, belastungs- und fertigungsgerechte Auslegung effizient in Fahrzeugstrukturen eingesetzt werden. Nach der Entwicklung der Technologie lokaler FVK-Verstärkungen von Metallkarosserien sowie Grundlagenuntersuchungen zu Energieabsorbern auf Basis geflochtener Preforms im Rahmen zweier FAT-Projekte wird im BMBF-Projekt CAMISMA durch den Einsatz neuartiger CFK-Vliese, UD-Tapes und Metallstrukturen eine Leichtbausitzstruktur entwickelt. Im Projekt CFK-Außenhautbauteile wird neben der fertigungsgerechten Auslegung einer Motorhaube auch das Verhalten unter dynamischer Belastung beim Kopfaufprall und Crash optimiert.

Im Projekt eMoSys – „Entwicklung und prototypische Umsetzung eines anforderungsgerechten modularen Antriebs- und Fahrwerksystems für ein Elektrofahrzeug“ – werden die Entwicklung und der Aufbau eines physischen Entwicklungswerkzeugs für Fahrwerksysteme verfolgt. Dieses ist mit Hilfe einer hochmodularen und flexiblen Gitterrohrrahmenkonstruktion in der Lage, unterschiedliche Fahrzeugderivate hinsichtlich ihrer Gesamtfahrzeugparameter abzubilden. Es ermöglicht hierdurch die frühzeitige Erprobung von Systemen und Komponenten in einer Gesamtfahrzeugumgebung auf der realen Straße.

»» Ein Elektrobus für Aachen

»» Crashdeformierbares Batteriesystem für Elektrofahrzeuge

Das ika hat im Rahmen des öffentlich geförderten „Smart Wheels“-Projektes gemeinsam mit dem ISEA einen rein elektrisch angetriebenen Kleinbus konzipiert und aufgebaut. Das Fahrzeug wird in den nächsten Monaten auf verschiedenen Aachener Buslinien im realitätsnahen Betrieb ohne Fahrgäste getestet werden. Der elektrische Antrieb ermöglicht eine Rückgewinnung der Bremsenergie, so dass ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Ein zusätzlich entwickeltes 30 kW Gleichstrom-Schnellladesystem ermöglicht es, die Batterie mit 45 kWh elektrischer Energie in ca. 90 Minuten vollständig wieder aufzuladen.

Grundgedanke des crashaktiven Batteriesystems, welches im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes e performance entsteht, ist dessen Nutzung als deformierbares Element im crashrelevanten Bereich des Fahrzeugs. Die trapezförmige Gestaltung der steifen Makrozellen kann auftretende Deformationskräfte durch Verschiebung dieser Elemente in verschiedene Richtungen weiterleiten. Die Energie wird dabei durch Deformation von Aluminiumprofilen zwischen den Makrozellen, die auch weitere Funktionen (Kühlung, Entgasung) übernehmen, absorbiert. Zur Funktionsabsicherung werden mit Hilfe von Realversuchen einzelne Zellen, Makrozellen und später das ganze System getestet, wobei Kraft, Deformationsweg, Spannungszustand und Temperatur der Zelle erfasst werden.

»» Forschungsbegleitung beim Einsatz von Hybridlinienbussen im VRR Im Rahmen des vom BMVBS geförderten Projekts wurde der Einsatz von 21 Hybridlinienbussen fünf verschiedener Hersteller bei zehn Verkehrsunternehmen im Verkehrs-verbund Rhein-Ruhr (VRR) durch die Projektpartner ika (Konsortialführer), TÜV NORD und VRR wissenschaftlich begleitet. Hierbei wurden die Potentiale der Hybridlinienbusse im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen hinsichtlich Abgasemissionen, Geräuschemissionen und Akzeptanz sowie Kraftstoffverbrauch und Zuverlässigkeit auf Basis umfangreicher Messkampagnen, Umfragen und Simulationen in enger Kooperation mit Herstellern und Betreibern ermittelt.

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Eckstein, L.; Fahrenkrog, F.; Benmimoun, M.; Zlocki, A.: Analysis of radar sensor information for an impact assessment of driver assistance systems in the European field operation test „euroFOT“, International Workshop on Intelligent Transportation 2011, Hamburg 2011.

»» Eckstein, L.; Hüsemann, T.: Anforderungen an den Reifen aus Sicht der Fahrzeugtechnik, Science meets Tires - Visionen für die Reifentechnik, Aachen 2011.

»» Eckstein, L.; Ernst, C.-S.; Olschewski, I.: Strategies to reduce CO2 emissions of heavy duty trucks until 2020, Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2011, Aachen 2011.

»» Eckstein, L.; Ickert, L.: FVK in der Großserie - Handlungsfelder aus Sicht der automobilen Forschung, Sampe Symposium „Faserverbundwerkstoffe - Hochleistung und Großserie“, Aachen 2011.

»» Eckstein, L.; Faßbender, S.; Ickert, L.; Dux, E.; Urban, P.: Influence of Future Customer Expectations and Drivetrain Architectures on Car Body Concepts, FutureCarBody 2011, Bad Nauheim 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 7.985.000 €

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus Forschungsschwerpunkt 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.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus Steinbachstraße 54B 52074 Aachen Tel.: +49 241/80-27341 Fax: +49 241/80-22286 iktpost@ikt.rwth-aachen.de www.ikt.rwth-aachen.de

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) und Hongik (Seoul) wird auch die Lehrveranstaltung Industrial Design (ID), sowohl für das Hauptdiplom Maschinenbau, als auch für Bachelor- und Masterstudiengänge angeboten.

»» Studienrichtungen 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 industrieund anwendungsnahe Forschung, aus der eine Vielzahl an Methoden und Werkzeugen zur Verknüpfung sowie bedarfsgerechten Verfügbarmachung von unternehmensinternem Wissen und zur Abbildung externer Parameter und Anforderungen in Kooperationsverbünden hervorgegangen sind.

»» Schwerpunkte Konstruktionslehre, allgemeiner Konstruktionsprozess und Methodik des industriellen Konstruktionsprozesses, Produktinnovation, Product Lifecycle Management, Hybride Strukturen, CAE, Engineering-Controlling »» Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 15 wiss. Mitarbeiter/-innen, 11 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 52 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» Interkulturelle Aspekte der Methodik der Produktentwicklung und des Designs

»» Entwicklung und Implementierung eines systematischen Innovationstools

In einer vom ikt initiierten Forschergruppe mit Teilnehmern des Imperial College London, der Hongik University Seoul, der Tsinghua University Beijing und des TGGS an der King Mongkut University in Bangkok wird untersucht, inwieweit der kulturelle Hintergrund von Fachleuten einen relevanten und nachweisbaren Einfluss auf kognitive Prozesse und damit die Bearbeitung technischer und gestalterischer Aufgaben hat. Die Fragestellung ist für die effektive Abwicklung von internationalen Entwicklungsprojekten und die Ausbildung von Ingenieuren und Gestaltern relevant und resultiert in angepassten und erweiterten Methoden und Modellen [E&PDE]. Das Projekt profitiert u. A. von einem chinesischen Stipendiaten der Southeast University, Nanjing, der mit der Zielsetzung der Promotion auf dem Fachgebiet des Industrial Design am ikt den Einfluss regionaler Kultur auf das Design untersucht.

Der Anspruch der Konstruktionsmethodik ist die Unterstützung des Entwicklers bei der Schaffung und Gestaltung neuer und der Verbesserung bestehender Produkte und Lösungen. Auf Basis der am ikt durchgeführten Forschung auf diesem Gebiet und den richtungsweisenden Arbeiten von Prof. Koller zur Erstellung von Konstruktionskatalogen wird im Projekt KoSIP eine anwenderfreundliche erweiterbare und flexible Software entwickelt. Hierzu werden die in der Praxis etablierten „Koller-Kataloge“ in den Bereichen der mechanischen, elektrischen und magnetischen Effekte erweitert und grundlegend überarbeitet, so dass über das reine Katalogwissen hinaus, die Kombination von physikalischen Effekten zu einer Wirkstruktur auf Effektebene und die Sammlung zusätzlichen Konstruktionswissens durch den Anwender ermöglicht wird. Insbesondere ist für eine Anwendung der Software eine Verringerung des Abstraktionsniveaus durch Assoziierung mit bestehenden Komponenten möglich, ohne eine Eingrenzung des Lösungsraumes aufzuerlegen. Weiterhin können praxisnahe, individuell durch den Anwender ergänzte anwendungs- und branchenabhängige Zugriffsmerkmale, Informationen zu Komponenten und deren Lieferanten sowie Links zu elektronischen Literaturquellen hinterlegt und kontextsensitiv zugegriffen werden. Zur Erhöhung der Durchgängigkeit von digitalen Entwicklungsdaten wird an der Integration des systematischen Innovationstools in Konstruktionssysteme gearbeitet. Eine derartige Einbindung, etwa in Form von Angaben zu Wirkflächen und Leitstützstrukturen der Prinziplösungen und deren Integration in CAD-Systemen, wird den Entwickler und Konstrukteur situativ unterstützen.

Abb. 1: KoSIP Suchalgorithmus

»» Produktdatenbasierte Effizienzsteigerung von Konstruktionsund Gestaltungsprozessen Die Zielsetzung innerhalb dieses Projekts liegt in der Entwicklung einer Methodik zur Effizienzsteigerung der Konstruktions- und Gestaltungsprozesse, die in Zusammenhang mit im CAD-System erstellten Daten stehen. Eine Analyse existenter CAD-Funktionalitäten in Verbindung mit dem jeweiligen, zur Nutzung einzusetzenden Ressourcenverbrauch, dient als Grundlage zur Erstellung einer methodischen Handlungsanweisung, die auf Basis eines generischen Vorlagentemplates in einen unternehmensindividuellen Leitfaden überführt werden kann. Auf diese Weise wird ein Vorgehen festgelegt, welches einen ergebnisorientiert-funktionalen Einsatz von CAD-Funktionen ermöglicht und in spezifischen Modellierungsstrategien mündet. Unter Einbezug von bestehenden Produktmodellen und der Kopplung mit ERP-Daten wird eine Methodik entwickelt, die die variantenbeschreibenden Daten in Referenzelemente im CAD-System überführt, in eine sog. Skelettdatei, die gleichsam auch die Komponentenschnittstellen beschreibt.

Abb. 2: Forschungsrahmen und Reengineeringansatz

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Jörg Feldhusen and Karl-Heinz Grote, 2011: Taschenbuch für den Maschinenbau / Dubbel. Hrsg. von K.-H. Grote und J. Feldhusen. Springer eBook Collection: Computer Science & Engineering. 410 Berlin: Springer.

»» Jörg Feldhusen, Arun Nagarajah, Sebastian Schubert, 2011: Computerised Range of Products in the Automotive Supply Industry. In: Global product development: proceedings of the 20th CIRP Design Conference, Ecole Centrale de Nantes, Nantes, France, Alain Bernard, ed. Berlin: Springer

»» Jörg Feldhusen, Arun Nagarajah, Sebastian Schubert, Alexander Brezing, 2011: A Reuse Design Decision Support System Based on Self-Organizing Maps. In: The future of design methodology / Herbert Birkhofer (Ed.). London: Springer.

»» Daniel Lemmer, Jörg Feldhusen, Stefan Wolfart, Klaus Haselhuhn, 2011: Analyse dentaler Implantate ausgehend von natürlichen Zähnen unter Berücksichtigung der Konstruktionsmethodik im Allgemeinen und LeitstützStrukturen im Speziellen. In: Integrierte Produktentwicklung für einen globalen Markt: Tagungsband; 9. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik 2011 [KT 2011] / Hrsg.: Klaus Bröckel, Ralph Stelzer, Jörg Feldhusen, Frank Rieg, Karl-Heinrich Grote.

»» Alexander Nikolaus Brezing, Peter Childs, Hyunjune Yim, Paul Wilson Bland, Pei-Luen Patrick Rau, 2011: Approaches to a cross-cultural engineering design theory. In: Design education for creativity and business innovation: proceedings of the 13th International Conference on Engineering and Product Design Education, City University, London, UK [E&PDE].

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 536.000 €

Lehrstuhl für Textilmaschinenbau und Institut für Textiltechnik Forschungsschwerpunkt Zukunftsfelder: »» Mobilität »» Bauen und Wohnen »» Life Sciences »» Energie

Univ.-Prof. 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 ita@ita.rwth-aachen.de www.ita.rwth-aachen.de

Technologiefelder: »» Hochmodulfasern »» Chemiefaserverarbeitung »» textile Garnherstellung »» textile Flächenherstellung »» Beschichtung »» Fügen

»» Studienrichtungen Textiltechnik

Besondere Kompetenzfelder: »» Simulation »» Polymeranalytik »» Prozessanalyse »» Textilwirtschaft

»» Schwerpunkte Faserwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe, Textile Herstellungsverfahren, Technische Textilien, Medizintextilien, Textile Fertigungs- und Prüftechnik, Textile Anwendungen, Qualitätssicherung und Simulation »» Personal 1 Professor, 4 Obering./-innen, 75 wiss. Mitarbeiter/-innen, 45 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 190 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» MegaCarbon Resourceneffiziente und hochproduktive Herstellung von Carbonfasern für ein breites Anwendungsspektrum.

»» SmartRopEx Vorhersage des Versagenszeitpunkts synthetischer geflochtener Seile durch integrierte textilbasierte Monitoringsysteme

Das Vorhaben richtet sich auf eine systematische Weiterentwicklung des Herstellungsverfahrens von Carbonfasern auf der Basis von PolyacrylnitrilVorläuferfasern. Es sollen die technischen Voraussetzungen geschaffen werden, um neue Anwendungen und Märkte für Kohlenstofffasern und die daraus hergestellten Verbundwerkstoffe zu erschließen. Ziel sind breite mengenmäßig große Anwendungen auch außerhalb des Flugzeugbaus bei mittleren bis hohen Leistungsanforderungen für die mechanische Festigkeit der C-Fasern.

Das Projekt Smart RopEx zielt darauf ab, für 3 Anwendungen jeweils einen Prototyp eines kompletten Monitoringsystems zu entwickeln, das die Restlebensdauer des Seils anzeigt. Das Projektziel leitet sich aus den Erkenntnissen des Projekts Smart Rope ab. Im Projekt Smart Rope wurden Monitoringsysteme integriert, um die Funktionssicherheit zu erhöhen, indem Belastungszustände angezeigt wurden. Die Anzeige dieser Zustände alleine lässt jedoch noch keinen Rückschluss auf die Restlebensdauer der Seile zu. Um diesen Rückschluss herzustellen, müssen die Anzeige der Belastungszustände und die Kriterien zur Lebensdaueranzeige miteinander in Einklang gebracht werden. Die Erkennung der Ablegereife[1], also das Herausarbeiten geeigneter Kenngrößen zur sicheren Erkennung und Anzeige der Restlebensdauer ist ein unerlässlicher Schritt auf dem Weg zum vollständigen Monitoringsystem. Somit kann sowohl der Grad der bereits eingetretenen Beschädigungen als auch die noch zu erwartende Lebensdauer angezeigt werden. Der Fokus liegt hierbei auf elektronisch auswertbaren Kriterien. Damit ist es möglich, durch Anschluss eines Auswertegerätes schnell und überall eine Aussage über die Restlebensdauer des Seiles zu machen. Die Seile können effizient und ökonomisch ausgetauscht werden: gerade rechtzeitig vor dem Versagen, jedoch auch nicht zu früh. Dies stellt bei den hier betrachteten hochpreisigen Anwendungen Aufzugseil, Hebeschlinge und Windenseil eine optimale Kosten-Nutzen-Relation bei ausreichend hohem Sicherheitsfaktor sicher.

Partner: Dralon GmbH (Dormagen), ABIC GmbH (Mönchengladbach), Bayer Technology Services GmbH (Leverkusen), DWI an der RWTH Aachen; AVT, IOB, LLT der RWTH Aachen University Laufzeit: 01.05.2010 – 30.04.2013, Förderträger: Ziel2 Hightech.NRW

Projektpartner: Barthels-Feldhoff KG, Wuppertal, Geo. Gleistein GmbH, Bremen, Institut für Textiltechnik (ITA), RWTH Aachen, Lehrstuhl Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (KEμ), RWTH Aachen, SBU GmbH, Waldheim, Statex, Bremen, ThyssenKrupp GmbH, Neuhausen Laufzeit: 01.06.2010 – 31.5.2013, Förderträger: BMBF Abb. 1: MegaCarbon

»» AutoBraid Wirtschaftliche Serienfertigung textiler Preforms durch Umflechtverfahren mittels automatisiertem Handling und online Qualitätsüberwachung

»» CAMISMA Carbonfaser/Aramid/Metall-basiertes Innenstruktur-Bauteil im Multimaterialsystem-Ansatz

Die Umflechttechnologie zur Herstellung textiler Preforms für textilverstärkte Kunststoffe (TVK) bietet großes Potenzial für eine Prozessautomatisierung. Hindernisse zur Erzielung einer Serienproduktion mit Stückzahlen über 20.000 Stück pro Jahr sind die manuell ausgeführten Prozessschritte: Flechtkernaufnahme, Geflechteinspannung und Abschneiden des Geflechts am Ende des Umflechtprozesses. Das ausschlaggebende Hindernis zur Nutzung der Umflechttechnologie für die Großserienfertigung ist jedoch die fehlende Online-Überwachung der kritischen Qualitätsmerkmale bei der Geflechtbildung (z. B. Ablagewinkel, Gassenbildung, Fadenspannung). Da viele TVK-Bauteile in sicherheitsrelevanten Bereichen Verwendung finden (z. B. in Straßenfahrzeugen) ist eine Überwachung der kritischen Qualitätsmerkmale für einen bedenkenlosen Einsatz geflochtener Strukturen zwingend erforderlich. Ziel des Projekts ist die Realisierung eines vollautomatisierten Umflechtprozesses für die Serienproduktion von geflochtenen Preforms für textilverstärkte Kunststoffe durch Entwicklung eines Online-Qualitätssicherungssystems.

Das Projekt CAMISMA soll einen ganzheitlichen Lösungsansatz aufzeigen, der einen Zugang zu preiswerten Kohlenstofffaser-verstärkten Materialsystemen ermöglicht. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen Leichtbau-Konzepts für den Automobilbereich. Es handelt sich um ein Multimaterialsystem, dieses basiert auf einer intelligenten Kombination von drei Werkstoffsystemen: Neuartige, preiswerte Kohlenstoff-Faservliese sollen mit kostengünstig gefertigten wärmeverformbaren Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen kombiniert. Diese werden mit metallischen Verbundteilen zu einem integrierten Bauteil zusammengefügt. Diese Material-Kombination ermöglicht ein niedriges Bauteilgewicht bei geringen Herstellkosten. Um die Machbarkeit dieses Konzeptes zu belegen, wird eine Autositzlehnenstruktur als Funktionsmuster entwickelt, gefertigt und getestet. Ziel ist es insgesamt mehr als 40 % des Gewichts gegenüber herkömmlichen Metall-basierten Konstruktionen einzusparen.

Partner: Institut für Unternehmenskybernetik e.V., Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Laufzeit: 01.05.2011-30.04.2013, Förderträger: AiF Zutech

Abb. 2: CAMISMA

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Steinmann, W.; Walter, S.; Seide, G.; Gries, T.; Roth, G.; Schubnell, M.: Structure, properties, and phase transitions of melt-spun poly(vinylidene fluoride) fibers. Journal of Applied Polymer Science 120 (2011), H. 1, S. 21-35.

»» Wipfler, M.; Laar, N.; Jockenhövel, S.; Gries, T.: Smart RopEx : Vorhersage des Versagenszeitpunkts synthetischer geflochtener Seile durch integrierte textilbasierte Monitoringsysteme In: Gerlach, Gerald; Schütze, Andreas (Hrsg.): 10. Dresdner SensorSymposium : Miniaturisierte analytische Verfahren, Hochtemperatur-Sensoren, Sensoren für Bioprozess- und Verfahrenstechnik, Sensoren für die Medizin, chemische Verfahrenstechnik, Lebensmittelanalytik, Innovative Sensorlösungen.

»» Zobel, S.; Bangert, S.: Continuous production of nonwoven from recycled carbon fibre In: EDANA (Hrsg.): Nonwovens Research Academy, 19 and 20 April, 2012, Gothenburg, Sweden. - Brussels : EDANA, 2012; ISBN: 978‐2‐930159‐76‐6. »» Fabich, B.; Rosiepen, C.; Gries, T.: Concept of an active carrier-based tension control system for braiding machines In: Innovative textile for high future demands : book of proceedings / 12th World Textile Conference AUTEX 2012, 13th to 15th June 2012, Zadar. Zagreb : Faculty of Textile Technology, University of Zagreb, 2012, Vol. I: S. 501-506.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 11.182.000 €

Lehr- und Forschungsgebiet Kautschuktechnologie Forschungsschwerpunkte 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.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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 kontakt@lfk.rwth-aachen.de 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.

»» Studienrichtungen Kunststofftechnik »» Schwerpunkte Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich Kautschuktechnologie und Kunststofftechnik »» Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 4 wiss. Mitarbeiter/-innen, 1 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 7 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» Richtungsabhängige Entfestigung in verstärkten, technischen Elastomeren Aus diesem Grund wurde eine neue Anlage zum thermischen Fügen von Kunststoff-Metall-Hybriden entwickelt, die eine größere Reproduzierbarkeit und eine signifikante Verkürzung der Prozesszeit zulässt. Dabei wird nicht, wie im alten Anlagenkonzept, die gesamte Probenaufnahme aufgeheizt und wieder abgekühlt, sondern über einen Stempel direkt ein hoher Wärmeimpuls auf den metallischen Fügepartner aufgebracht. Dieser wird anschließend mit dem Kunststoff in Verbindung gebracht, wobei der Verbund entsteht. Durch die komplette Steuerung des Prozesses werden Fehler minimiert und die Reproduzierbarkeit gesteigert. 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.

Aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften (niedriger Schubmodul, hohes reversibles Deformationsvermögen, äußerst geringe Kompressibilität) werden technische Elastomere in verschiedensten Bereichen wie Automobilindustrie, Reifen, oder Medizintechnik eingesetzt. Durch die Beimischung von verstärkenden Füllstoffen werden bestimmte mechanische Eigenschaften wie beispielsweise Steifigkeit, Zugfestigkeit und Abriebfestigkeit verbessert und auf die jeweilige technische Anwendung abgestimmt. Gleichzeitig stellt sich für verstärkte Elastomere die charakteristische Veränderung des quasi-statischen Spannungs/DehnungsVerhaltens nach einer erstmaligen Beanspruchung ein. Diese Veränderung ist maßgeblich abhängig von der Deformationsgeschichte und ist unter dem Sammelbegriff Mullins-Effekt bekannt. Diese Entfestigungserscheinungen stellen für die numerische Vorhersage eine besondere Herausforderung dar. Jüngste Untersuchungen zeigen zusätzlich, dass der Mullins-Effekt als ein weitaus komplexeres Phänomen auftritt als bisher angenommen. Die Charakterisierung der deformationsinduzierten Anisotropie des MullinsEffekts erfordert eine erhebliche Menge an Informationen bezüglich der Deformationsgeschichte, die durch verschiedene Prüfmethoden experimentell zu generieren sind. Für die Identifikation des richtungsabhängigen Werkstoffverhaltens wird im ersten Schritt eine im Verhältnis große Probe bis zu einer definierten Deformationshöhe vorkonditioniert und somit der MullinsEffekt induziert. Nach der Entlastung wurde aus dieser großen Probe ein kleinerer, genormter Probekörper in verschiedenen Lagen ausgestanzt, so dass eine uniaxiale Deformation in einer neuen Belastungsrichtung erfolgen kann. Für eine umfassende experimentelle Datenbasis werden verschiedene Veränderungen in den Kautschukmischungen vorgenommen, um beispielsweise den Einfluss des Füllstoffgehalts, des Füllstofftyps (Ruß; Silica) oder der Teilchengröße und –gestalt des Rußes auf die deformationsinduzierte Anisotropie des Mullins-Effekts zu quantifizieren.

»» Doppelschneckenextruder in Kaskadenanordnung für die kontinuierliche Herstellung von Silica gefüllten Kautschukmischungen Bei der kontinuierlichen Aufbereitung der silicagefüllten Kautschukmischung mit Doppelschneckenextruderkaskaden sind vollständige Silanisierung der Silicapartikel und gute Silicadispersion sicherzustellen. In der verfahrenstechnischen Lösung mit zwei Compoundierstufen wird jeder der beiden Stufen vorrangig eine einzelne Aufgabe zugewiesen, entweder der Silanisierungsprozess oder das Dispergieren des Füllstoffs. Es wurde untersucht, welche Reihenfolge der Aufbereitungsschritte die beste Mischungsqualität liefert und es wurden die wichtigsten Prozessparameter als Funktion der Zeit beschrieben.Hinsichtlich der vollständigen Silanisierung und des niedrigen Energieverbrauchs ist die Kaskade 1, in der die Silanisierung in der ersten Stufe und die Dispersion in der zweiten Stufe durchgeführt wird, klar im Vorteil. Die Silicamischung, die durch diese Aufbereitungsreihenfolge hergestellt wird, hat einen höheren Silanisierungsgrad. Es ist verfahrenstechnisch sehr wichtig, dass die Silanisierungsreaktion am Anfang des Mischprozesses zügig gestartet wird. Eine vollständige Silanisierung ist die Voraussetzung für eine niedrige Viskosität der Silicamischung und für die Ausbildung einer starken Polymer-Füllstoff-Wechselwirkung. In der Kaskade 2 finden die Aufbereitungsschritte in umgekehrter Reihenfolge statt. Die beste Silicadispersion wurde mit Kaskade 2 erreicht, jedoch war hier die Silanisierung nicht zufriedenstellend. Somit wurde gezeigt, dass die Reihenfolge der Schritte einen starken Einfluss auf die Mischungseigenschaften hat. Bei dem hier praktizierten kontinuierlichen Aufbereitungsprozess ist die Verweilzeit im Vergleich zum diskontinuierlichen Prozess im Innenmischer um den Faktor zwei niedriger. Um in Zukunft eine Alternative zum mehrstufigen diskontinuierlichen Mischprozess mittels Innenmischern und Walzwerk bzw. Austragsextruder zu haben, sind noch verschiedene Fragen der produktionssicheren Dosierung der Rohstoffe sowie die Frage der Wirtschaftlichkeit zu klären.

Abb.1: Deformationsinduzierte Anisotropie des mullins-Effekts

»» 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. Aus der vorhandenen Anlagenkonzeption konnten geeignete Prozessfenster und Materialkombinationen ermittelt werden, die hochfeste Verbindungen generieren. Nachteile der vorhandenen Anlagenkonzeption sind in der Reproduzierbarkeit und der Prozesszeit zu sehen.

Abb. 3: Doppelschneckenextruderkaskade mit 44 mm Schneckendurchmesser für die Aufbereitung der SBR/Silica-Mischungen

Abb. 2: Weiterentwicklung der Analgentechnik für das Wärmeleitungsfügen hybrider Kunststoff-Metall Verbindungen

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Menges, Georg; Haberstroh, Edmund; Michaeli, Walter; Schmachtenberg, Ernst: Menges Werkstoffkunde der Kunststoffe Carl Hanser Verlag, München 2011, 6. Auflage, ISBN: 978-3-446-42762-4.

»» Hao, Da; Haberstroh, Edmund: Untersuchungen und Simulation zur kontinuierlichen Kautschukaufbereitung von Silica gefüllten Kautschukmischungen im Zweischneckenextruder In: KGK Kautschuk, Gummi, Kunststoffe Zeitschrift, Oktober 2011, pp. 48-53.

»» Haberstroh, Edmund: Continuous Synthesis of Polyesteramides via Reactive Extrusion In: Taishan Academic Forum 2011, November 01-03, 2011, Qingdao China, Tagungsband pp. 45-49. »» Kahraman, Hasan; Haberstroh, Edmund: The Effect of Carbon Black and Silica Fillers on the Deformation induced Anisotropy of the Mullins Effect In: EURO FILLERS 2011, August 21-25, 2011, Dresden, Tagungsband pp. 54.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 214.000 €

Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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 zentrale@ikv.rwth-aachen.de 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.

»» Studienrichtungen Kunststofftechnik: Werkstoffe, Faserverbundwerkstoffe, Bauteilauslegung, Werkzeuge, Verarbeitungsmaschinen, Prozessanalyse, Veredeln

»» Industrie-Kooperationen Träger des Instituts ist eine gemeinnützige Fördervereinigung, der zurzeit 230 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 1 Professor, 1 Obering./-innen, 79 wiss. Mitarbeiter/-innen, 51 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 216 stud. Mitarbeiter/-innen

»» 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.

Ausgewählte laufende Projekte »» Automatische Optimierung von Extrusionswerkzeugen

»» Klare Sicht durch zentrierfehlerfreie Kunststoffoptiken

Kunststoffprofile, wie z.B. Fensterrahmen, werden im Profilextrusionsprozess hergestellt. Zentrales und qualitätsbestimmendes Element dieses Prozesses ist das Extrusionswerkzeug, welches die Kunststoffschmelze zur finalen Geometrie ausformt. Aufgrund des komplexen Fließverhaltens von Kunststoffen ist die Auslegung dieser Werkzeuge eine sehr anspruchsvolle Aufgabe, die von erfahrenen Fachkräften in mehreren Iterationsschleifen gelöst wird.

Transparente Kunststoffe erobern aufgrund der Möglichkeit einer wirtschaftlichen Fertigung hoher Stückzahlen und einer hohen Designfreiheit bei zugleich geringem Gewicht zunehmend den Markt optischer Anwendungen, wie Scheinwerfer und Heckleuchten von Automobilen beispielhaft belegen. Da zur Erzielung hoher optischer Leistungsfähigkeiten enge Toleranzen eingehalten werden müssen, stellt die Replikation optischer Kunststoffkomponenten hohe Anforderungen an die Werkzeugtechnik und Prozessführung beim Spritzgießen und Spritzprägen.

Innerhalb des Exzellenzclusters „Produktionstechnik für Hochlohnländern“ wird in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für computergestützte Analyse technischer Systeme der RWTH Aachen eine Methode entwickelt, welche die automatische Optimierung der Werkzeuggeomtrie hinsichtlich eines Auslegungsziels ermöglicht und somit die Anzahl der später erfroderlichen Iterationen deutlich reduziert. Abb.1 zeigt das Ergebnis einer solchen Optimierungsrechnung. In diesem Beispiel wird durch die Optimierungsrechnung eine deutlich homogenere Geschwindigkeitsverteilung am Werkzeugaustritt erreicht, so dass schon virtuell die Produktqualität gesteigert wird, indem ein Verzug des Profils minimiert werden kann.

Daher war es ein Ziel der Untersuchungen des Sonderforschungsbereichs SFB/TR4, die optische Abbildungsqualität von Kunststoffoptiken weiter zu steigern, indem die Ausrichtung der optischen Oberflächen zueinander optimiert wird. Bedingt durch ein zweigeteiltes Spritzgießwerkzeug kann es beim Replikationsprozess zu lateralem Versatz der optischen Funktionsflächen kommen. Diese Zentrierfehler in der Ausrichtung optischer Funktionsflächen zueinander führen zu Abbildungsfehlern. Daher wurde eine Werkzeugtechnik entwickelt, mit der es möglich ist, herstellungsbedingte Zentrierfehler zu minimieren (Abb. 2). Die Justage des düsenseitigen Formeinsatzes kann durch den Einsatz von Piezo-Aktuatoren im neuartigen Werkzeugkonzept in einem Bereich von ca. 100 µm mit einer Genauigkeit im einstelligen Mikrometer-Bereich erfolgen.

Abb. 1

Abb. 2

»» SphäroSim Integrative Gefügesimulation im Kunststoff-Spritzguß

»» Inprolight Von der Faser zum fertigen FVK-Bauteil

Im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ wird die Entstehung des Mikrogefüges in spritzgegossenen Bauteilen aus teilkristallinen, thermoplastischen Kunststoffen untersucht. Diese innere Struktur beeinflusst das spätere Bauteilverhalten maßgeblich. Das Ziel ist es, mit Hilfe einer integrativen Simulationskette bestehend aus Spritzgieß-, Gefüge- und Struktursimulation das Materialverhalten über mehrere Skalen zu berechnen. Dadurch kann die Simulationsgüte bspw. bei der Berechnung von Schwindung und Verzug deutlich gesteigert werden.

Die Einsparung von Rohstoffen und Energie sowohl bei der Herstellung als auch bei der Nutzung von Produkten gewinnt weiter an Bedeutung. Insbesondere in der Fahrzeugindustrie kann ein ressourceneffizienter Leichtbau zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs beitragen. Innovative Leichtbaukonzepte auf Basis thermoplastischer faserverstärkter Kunststoffe (TP FVK) können einen wesentlichen Beitrag leisten. Für einen wirtschaftlichen Einsatz der TP-FVK-Bauteile müssen jedoch Fertigungskosten und Fertigungszeit deutlich gesenkt werden. Diesen Ansatz verfolgt das IKV zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) und neun Partnern aus der Industrie im Projekt „InProLight“ (www.inprolight.de).

Aktuelle Forschungen am IKV ermöglichen es, das sphärolithische Gefüge unter Berücksichtigung von spritzgießrelevanten Randbedingungen zeitaufgelöst mit adaptiver Zeitschrittweite in 3D zu berechnen (Abb. 3).

Ziel ist die Entwicklung einer Prozesskette zur schnellen und automatisierten Fertigung von Strukturbauteilen aus TP-FVK mit hohem Leichtbaupotenzial (Abb. 4).

Zukünftige Arbeiten zielen darauf ab, neben dem sphärolithischem auch scherinduziertes Gefüge vorherzusagen und so die komplette Morphologie des Bauteils in der Simulation zu erfassen.

Kernidee des Ansatzes ist die Herstellung von FVK-Rohbauteilen durch Faserspritzen in eine dreidimensionale Form zur Erzeugung eines leicht handhabbaren Preforms mit einstellbarer Faserorientierung, der anschließend in einem variothermen Werkzeug verpresst bzw. konsolidiert wird. Die mechanischen Eigenschaften der Bauteile können in Abhängigkeit der Faserlänge im Bereich von endlosfaserverstärkten Bauteilen liegen.

Abb. 3

Abb. 4

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Hopmann, Ch; Michaeli, W.; Fragner, J.; Pfefferkorn, T.: Injection moulding of conductor paths: integration of functionality by the use of a metal/thermoplastic hybrid material, Journal of Polymer Engineering 31 (2011) 6/7, S. 479-487.

»» Hopmann, Ch; Michaeli, W.; Heesel, B.: Impact behaviour of thermoplastics - materials testing and simulaton, Journal of Polymer Engineering 31 (2011) 4, S.345-352.

»» Hopmann, Ch; Michaeli, W.; Heßner, S.; Walach, P.: Injection-compression moulding of aspherical plastics lenses, Zeitschrift Kunststofftechnik/Journal of Plastics Technology 7 (2011) 3, S. 116-136.

»» Hopmann, Ch; Michaeli, W.; Heesel, B.: Impact behaviour of thermoplastics - materials testing and simulaton, Journal of Polymer Engineering 31 (2011) 4, S.345-352.

»» Hopmann, Ch; Michaeli, W.; Masberg, U.; Sitz, S.: Determination of the Expansion Process of Cellular Rubber Materials, Cellular Polymers 30 (2011) 4, S. 215-226.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 11.221.000 €

Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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 info@km.rwth-aachen.de 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

»» Studienrichtungen 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 1 Professor, 0 Obering./-innen, 4 wiss. Mitarbeiter/-innen, 3 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 5 stud. Mitarbeiter/-innen

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.

Ausgewählte laufende Projekte »» Mechanik einzelner kolloidaler Cluster unter der Wechselwirkung von Nanopartikeln

»» Konstitutive Modellierung der dehnungsinduzierten Kristallisation in Gummi

Ein Kolloidsystem ist eine Lösung, die aus zwei separaten Phasen besteht: Einer dispersen Phase und einer kontinuierlichen Phase. Kolloidsysteme tauchen in einem breiten Spektrum von Produkten auf, wie z.B. Lebensmittel, Farben oder auch Kunststofferzeugnissen. Ein Cluster ist eine festkörperähnliche Kolonie stark miteinander verbundener Partikel in einem Kolloidsystem. In diesem Projekt wird ein nichtlineares elastisches Modell für einzelne Kolloide entwickelt.

Die Kristallisation ist ein Prozess der Kristallbildung meistens in einem amorphen Material. Die dehnungsinduzierte Kristallisation ist ein Spezialfall der Kristallisation, welche bei Dehnung der Polymere knapp unter der Raumtemperatur stattfindet. Im Falle einer regulären Molekülstruktur können die Kristallite die Rißbildung bzw. -ausbreitung im Gummi unterdrücken. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, ein mikromechanisches Werkstoffmodell zu entwickeln, welches diese wesentliche Eigenschaft der dehnungsinduzierten Kristallisation berücksichtigt.

Als erstes wird die Abhängigkeit elastischer Eigenschaften des Clusters von der Geometrie der sogenannten backbone-Kette und den Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Partikeln beschrieben. Diese Wechselwirkungen werden auf der Nano-Ebene betrachtet und können auf Zentral-und Tangentialkräfte unterteilt werden. Die deformierte Geometrie des Clusters wird mit Hilfe des Konzepts der statistischen Winkelmittelung und des probabilistischen Ellipsoids approximiert.

Hierzu wird die Materialverstärkung infolge der dehnungsinduzierten Kristallisation durch eine Reduzierung der Helmholzeschen freien Energie aufgefasst. Diese Energie wird auf der Basis des „network-evolution“-Modells (entwickelt am LFKM) formuliert. Der Kristallitbildungsprozess wird durch die Dehnungen gesteuert, die von der Richtung abhängig sind. Der Einfluss der teilweisen Immobilisierung der Polymerketten während der Deformation wird unter der Annahme berücksichtigt, dass die kristallinen und amorphen Phasen separate Netzwerke bilden. Abschließend wird das Modell im Vergleich zu den Ergebnissen der Experimente auf der Makro- und Mikroskala validiert. Man stellt eine gute Übereinstimmung in Bezug auf die Kristallausrichtung, den Kristallisationsgrad und die Nominalspannung fest.

Weiterhin wird ein neues Plastizitätskriterium für stark aggregierte kolloidale Cluster unter Berücksichtigung der Wechselwirkung der einzelnen Kolloide vorgeschlagen. Die kritische Last einer Partikelverbindung, die für die Trennung der Partikel gerade reicht, wird als eine Funktion der deformierten Clustergeometrie und der Platzierung der Partikel innerhalb des Clusters ausgedrückt. Das so aufgebaute Modell wird es erlauben, viele mechanische Charakteristiken der Kolloidsysteme in unterschiedlichen Anwendungen vorherzusagen, wie z.B. Hysterese in rußverstärkten Elastomeren, Elastizität der Milchprodukte oder Mechanik der Blutgerinnung unter verschiedenen Strömungsbedingungen.

Abb. 2

Abb. 1

»» Konstitutives Kontinuum-Modell für aktives Verhalten der Skelettmuskulatur

»» Taylorreihenentwicklung einer inversen Funktion mit Anwendung auf die Langevin-Funktion

In diesem Projekt schlagen wir ein konstitutives Kontinuum-Modell für das passive und aktive mechanische Verhalten der Skelettmuskulatur vor. Im Gegensatz zu vielen anderen Muskelmodellen, wird hier auf eine additive Zerlegung der Muskelkraft in eine aktive und passive Komponente verzichtet. Stattdessen wird das Muskelgewebe als ein kontinuierliches biologisches Material betrachtet, welches ihre Eigenschaften unter Aktivierung ändert. Diese Änderung der Eigenschaften kann auch mikromechanisch auf der Skala der Muskelfaser interpretiert und anhand eines aktivierungsabhängigen Einparametermodells beschrieben werden.

Taylorpotenzreihen stellen ein leistungsstarkes mathematisches Werkzeug dar. Unter anderem kann es zu einer inversen Funktion herangezogen werden, insbesondere wenn diese Funktion lediglich in einer impliziten Form defniert ist. Dies ist z.B. der Fall für die sogenannte Langevin-Funktion, welche ein unerlässlicher Bestandteil der fullnetwork-Gummielastizitätsmodelle ist. In diesem Projekt schlagen wir eine einfache rekurrente Prozedur für die Berechnung der Taylorkoeffizienten einer inversen Funktion vor. Diese Prozedur basiert auf Taylorreihenentwicklung der Originalfunktion und ergibt eine einfache Rekurrentformel. Diese Formel wird weiterhin an die Langevin-Funktion angewendet. Der Konvergenzradius der daraus resultierenden Reihe wird abgeschätzt. Innerhalb dieses Konvergenzradiuses zeigt unsere Darstellung der inversen Langevin-Funktion bessere Übereinstimmung mit der exakten Lösung im Vergleich zu verschiedenen PadéApproximationen.

Dieser sowie auch andere Modellparameter werden aus Standardversuchen an einem aktivierten und ruhenden Muskel oder auch aus mikromechanischen Informationen bestimmt, wie z.B. Fasertyp oder Charakteristik einer einzelnen Zuckung. In dem passiven Zustand des Muskels ergeben sich die Konstitutivbeziehungen aus der polykonvexen und koerziven Verzerrungsenergiefunktion, die ebenfalls an unseren Lehr- und Forschungsgebiet entwickelt wurde. Das Modell demonstriert eine exzellente Übereinstimmung mit den experimentellen Spannungs-Dehnungs-Diagrammen des passiven und aktivierten tibialis anterior Muskels einer Rate.

Abb. 3

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Hollenstein, M., Ehret, A. E., Itskov, M., and Mazza, E.: A novel experimental procedure based on pure shear testing of dermatome-cut samles applied to porcine skin. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 10/5,651-661, 2011.

»» Itskov, M., and Dargazany, R.: Nano - to macro - scale modeling of damage in filled elastomers. Constitutive Models for Rubber VII, 209 - 214, 2011/09. ISBN 13: 978-0-415-68389-0.

»» Ehret, A. E. , Böl, M. and Itskov, M.: A continuum constitutive model for the active behaviour of skeletal muscle Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 59, 625-636, 2011.

»» Poshtan, E. A., Dargazany, R., and Itskov, M.: Influence of strain induced crystallization on the mechanical behavior of natural rubbers. Constitutive Models for Rubber VII, 215 - 219, 2011/09.

»» Ehret, A. E. , Hollenstein M., Mazza, E., and Itskov, M.: Porcine dermis in uniaxial cyclic loading: Sample preparation, experimental results and modeling . Journal of Mechanics of Materials and Structures, 6/7-8, 1125–1135, 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 81.000 €

Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs

Das Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) der RWTH Aachen befasst sich mit der Forschung und Lehre auf den Gebieten Tribologie, Maschinenelemente, Antriebstechnik, Maschinendynamik und -akustik. Das IME forscht in den o.g. Arbeitsgebieten und setzt neue Erkenntnisse fokussiert in den Anwendungen Windenergie, Bau- und Landmaschinen sowie Bahntechnik um.

IME - Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung Schinkelstraße 10 52062 Aachen

Die Struktur des Institutes folgt diesen Aufgaben und ist durch die Bereiche gegliedert:

Tel.: +49 241/80-95635 Fax: +49 241/80-92256

»» Tribologie »» Antriebstechnik »» Windenergie »» Off-Highway

post@ime.rwth-aachen.de www.ime.rwth-aachen.de

Zur Erprobung originalgroßer Antriebsstränge und Maschinen sowie zur Validierung entwickelter Berechnungsverfahren wurde am IME ein 1 MW-Verspannungsprüfstand aufgebaut und Ende 2010 in Betrieb genommen. Das dynamische Drehschwingungsverhalten von Antrieben wird seit über 25 Jahren am IME erforscht. Die erarbeiteten Grundlagen wurden konsequent in die Software DRESP (DREhschwingungsSimulationsProgramm) integriert. Dieses leistungsfähige Werkzeug zur Optimierung von Antriebssystemen wird im Auftrag der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA), einer Vereinigung von über 170 Unternehmen aus dem Bereich der Antriebstechnik, und von zahlreichen Anwendern in der Industrie erfolgreich eingesetzt.

»» Studienrichtungen Konstruktion und Entwicklung; Produktionstechnik; Kunstoff- und Textiltechnik; Verkehrstechnik; Energietechnik; Fahrzeugtechnik; Allg. Maschinenbau »» Schwerpunkte Antriebstechnik, Maschinenelemente, Tribologie »» Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 31 wiss. Mitarbeiter/-innen, 23 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 91 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausführliche Informationen zu den aktuellen Projekten, den Industriekontakten im In- und Ausland sowie den Mitarbeitern sind auf der unten genannten Homepage zu finden. Hiwis, WiHis, Studien- und Diplomarbeiter können sich im Rahmen ihrer Ausbildung aktiv an diesen Projekten beteiligen. Das IME bietet folgende Vorlesungen an: »» Maschinengestaltung II und III »» Tribologie »» Maschinenakustik und dynamische Ursachen »» Windenergie »» Dynamik und Energieeffizienz in der Schwerlastantriebstechnik

Ausgewählte laufende Projekte »» Potentiale und Einsatzgrenzen von High-Speed-Antrieben in mobilen Arbeitsmaschinen (BMBF)

»» Ermüdungsmechanismen und Lebensdauer dynamisch hoch belasteter Gleitlager (DFG)

Das Verbundprojekt TEAM befasst sich mit neuen Lösungsansätzen zur Steigerung der Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen. In diesem Rahmen arbeitet das IME zusammen mit sechs Industriepartnern an der Entwicklung elektrischer High-Speed-Antriebe für den Bau- und Landmaschinenbereich. Die Antriebe setzen sich jeweils aus einem schnelldrehenden Elektromotor sowie einer kompakten Getriebeeinheit zusammen. Bei mobilen Arbeitsmaschinen stellt die elektrische Antriebstechnik begründet durch die derzeit geringere Leistungsdichte und die höheren Kosten eine Nischenanwendung dar. Durch eine Steigerung der Motordrehzahl wird eine deutliche Anhebung der Leistungsdichte und damit auch eine Reduzierung der Systemkosten erzielt. Aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten der Motor- und Getriebekomponenten sind hier besondere technische Lösungsansätze hinsichtlich Verzahnung, Lagerung, Schmierungs- und Dichtungstechnik notwendig. Am Beispiel eines Bandantriebs einer Straßenfräse sowie der Einzelradantriebe für einen Ackerschlepper wird die Einsatztauglichkeit elektrischer High-Speed-Antriebe für die speziellen Anforderungen mobiler Arbeitsmaschinen aufgezeigt. Die Demonstratoren der Radantriebe werden auf den Verspannungsprüfständen des IME getestet. Der schnelldrehende Antrieb für das Förderband der Straßenfräse wird im Feld erprobt.

Steigende Anforderungen an die Ressourcenschonung und die Energieeffizienz erfordern leistungsdichtere Antriebsstränge. Zur Realisierung werden Gleitlager, beispielsweise in Turbinen, immer höheren Belastungen ausgesetzt. Sind diese Lager im Betrieb dynamischen Lasten unterworfen, kann es trotz sicherer Auslegung und verschleißfreiem Betrieb zu Lagerschäden in Form von Werkstoffermüdung des Lagermetalls kommen. Mit derzeit existierenden Richtlinien ist eine Vorhersage der Dauerfestigkeit nicht möglich. Am Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) und am Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (IWM) der RWTH Aachen University wurde eine Dauerfestigkeitsprognose für metallische Lagerwerkstoffe entwickelt. Dazu wird durch Anwendung der Quadratischen Versagenshypothese (QVH) die Bauteilbeanspruchung mit der Werkstoffbeanspruchbarkeit verglichen. Die Beanspruchbarkeit wurde aus Schwingfestigkeitsuntersuchungen an den Gleitlagerwerkstoffen ermittelt. Die Bestimmung der vorliegenden Beanspruchung im Gleitlager erfolgt durch Koppelung von Mehrkörpersystem- (MKS-) Simulationen mit der Berechnung des hydrodynamischen Druckaufbaus. Diese geht in Form von Spannungstensoren in die QVH ein. Die Dauerfestigkeitsberechnung zeigt gute Übereinstimmung mit den Validierungsversuchen an dynamisch belasteten Weißmetall-Radialgleitlagern. Damit kann erstmalig die Dauerfestigkeit von dynamisch belasteten Gleitlagern prognostiziert werden. Eine Vorhersage der Dauerfestigkeit erlaubt so die optimale Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften und eine Erweiterung der Einsatzgebiete hydrodynamischer Lager.

Abb. 1: Potentiale und Einsatzgrenzen von High-Speed-Antrieben in mobilen Arbeitsmaschinen

Abb. 2: Vorgehensweise zur Durchführung einer Dauerfestigkeitsprognose

»» NRW.Hightech Verbesserung des Betriebsverhaltens von On-Shore Windenergieanlagen mithilfe eines neuartigen Systemprüfstandes Die Kombination von hohen Belastungen und einer hochdynamischen Betriebsweise führt bei Windenergieanlagen (WEA) zu unvorhergesehenen Schäden im Triebstrang und somit zu Anlagenstillständen. Um den starken Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten in Bezug auf übertragende Kräfte und Verformungen gerecht zu werden, wird in diesem Projekt der Ansatz der Prüfung des Gesamtsystems Windkraftgondel verfolgt. Hierzu wurde ein WEA-Systemprüfstand entwickelt und aufgebaut, der eine Windkraftgondel mit flexibel einstellbaren Windlasten in fünf Freiheitsgraden an der Rotornabe belastet. Eine elektrische Belastungseinheit ermöglicht die Aufprägung von Netzlasten auf den Gondelgenerator.

Neben dem Vorteil der reproduzierbaren Belastungen ermöglicht die Nutzung eines Systemprüfstands im Bereich F&E eine massive Zeit- und Kostenersparnis für Anlagen- und Komponentenhersteller. Die hohe Anzahl unterschiedlicher Triebstrangkonzepte in aktuellen WEA zeigt, dass sich die Frage nach dem optimalen Triebstrangkonzept heute noch nicht eindeutig beantworten lässt. Im Rahmen des Projektes wird eine technisch-wirtschaftliche Bewertung verschiedener derzeit verfügbarer Triebstrangkonzepte durchgeführt und so eine Basis für die Bewertung neuer Konzepte geschaffen.

Unter Berücksichtigung aktueller Normen und Richtlinien werden im Rahmen des Projektes Prüfzyklen für Prüfstandsversuche erarbeitet, anhand derer gezeigt wird, dass die Zertifizierung von Windenergieanlagen zu großen Teilen auf einem Systemprüfstand möglich ist.

Abb. 3: WEA-Systemprüfstand

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Bongardt, Christian; Rombach, Volker; Jacobs, Georg: Einfluss von instationären Betriebszuständen zur Graufleckenbildung in Wälzlagern und Klärung von Mechanismen : Zwischenbericht In: Forschungsreport 2011 der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. : vorgelegt anlässlich der Informationstagung 2011, 23. und 24. November 2011, Würzburg / FVA, Forschungsvereinigung Antriebstechnik.. - Frankfurt : FVA, 2011, S./Art.: 1/19-19/1 InProceedings, peer-reviewed [hsb999910133452.

»» Jacobs, Georg; Van Lier, Herman; Rombach, Volker; Bobzin, Kirsten; Bagivan, N.; Theiß, Sebastian; Weiß, Raphael: Schmiermittelfreier Wälzlagerbetrieb durch PVD-Beschichtung In: Reibung, Schmierung und Verschleiß : Forschung und praktische Anwendungen ; 52. Tribologie-Fachtagung, 26. bis 28. September 2011 in Göttingen , [Hrsg. u. Vertrieb:] Gesellschaft für Tribologie e.V.. - Aachen : GfT. - Gesellschaft für Tribologie e.V. - Aachen : GfT [Bd.2] = Maschinenelemente und Antriebstechnik.

»» Jacobs, Georg; Mödder, Ralf; Brammertz, Dirk; Schelenz, Ralf: Elastomerkupplungen In: VDI-Fachtagung Kupplungen und Kupplungssysteme in Antrieben : mit Fachausstellung ; Wiesloch bei Heidelberg, 22. und 23. März 2011 / VDI Produkt- und Prozessgestaltung. - Düsseldorf : VDI-Verl., 2011. - (VDIBerichte ; 2139). - ISBN: 978-3-18-092139-6. - ISSN: 0083-5560, S./Art.: 15-25 InProceedings [hsb999910130722].

»» John, Sebastian; Kiekbusch, T.; Sauer, Bernd; Schelenz, Ralf; Jacobs, Georg: Bewertung von Schwingungsanregung hinsichtlich möglicher Schädigung an Wälzlagern unter Einbeziehung der Umgebungskonstruktion : Zwischenbericht In: Forschungsreport 2011 der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. : vorgelegt anlässlich der Informationstagung 2011, 23. und 24. November 2011, Würzburg / FVA, Forschungsvereinigung Antriebstechnik.. - Frankfurt : FVA, 2011, S./Art.: 1/21-21/21InProceedings, peer-revie.

»» Jacobs, Georg; Hameyer, Kay; Brecher, Christian [Hrsg.]: ATK 2011 [14.] Antriebstechnisches Kolloquium ; Heavy Drive Train Conference / Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung in Kooperation mit dem Institut für Elektrische Maschinen und dem Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen. Georg Jacobs .... - Aachen : Apprimus Verl., 2011ISBN 978-3-940565-83- Proceedings [hsb999910037136. Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 2.969.000 €

Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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 office@ist.rwth-aachen.de 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

»» Studienrichtungen Verkehrstechnik, Energietechnik »» Schwerpunkte Experimentelle und numerische Strömungsuntersuchungen, Systemanalyse von Turbomaschinen, Entwicklung von Strömungsmesstechnik

»» Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 32 wiss. Mitarbeiter/-innen, 25 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 33 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» Lotus-ARP Da eine Messebene hinter dem Leitrad (OGV) gewählt wurde, ergibt sich aufgrund der Nachlaufdellen hinter den Schaufeln in Umfangsrichtung ein stark inhomogenes Strömungsprofil.

Im Rahmen eines gemeinsamen Projkets mit der Lufthansa Technik AG, der Firma ANSYS sowie dem Institut für Antriebstechnik des DLR sollen Sensitivitätsstudien Aufschluss über den Einfluss verschiedener Schäden und Geometrieänderungen an Triebwerksschaufeln auf die Performance des Triebwerks geben.

Für die Analysen wurden zwei Betriebspunkte des Triebwerks (MaxCont und Cruise) sowie zwei Fankonfigurationen (neuer Anstreifbelag und eingelaufener Anstreifbelag über dem Rotor) ausgewählt. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Verschlechterung des Strömungsverhaltens im Fan aufgrund des vergrößerten Radilspalts bei eingelaufenem Anstreifbelag. Die Abbildung zeigt beispielhaft einen Vergleich der Machzahlverteilungen für die beiden Radialspalte. Die Übereinstimmung mit den CFD-Ergebnissen, insbesondere für die Drücke und Temperaturen, sind sehr gut, so dass auf dieser Basis weitere Parameterstudien durchgeführt werden können.

Das Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen führt in diesem Zusammenhang experimentelle Untersuchungen auf dem Prüfstand der Lufthansa Technik AG am Triebwerk durch. Hiermit wird das Strömungsverhalten hinter dem Fan analysiert, um so eine Datenbasis für den Vergleich mit den parallel laufenden CFD-Simulationen zu liefern. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf einer möglichst hohen räumlichen Auflösung. Hierdurch wird gewährleistet, dass alle Strömungseffekte, wie Nachlaufdellen und Gradienten genau wiedergegeben werden. Die Messungen werden mit Hilfe einer pneumatischen Fünf-Loch-Sonde durchgeführt, die in der Lage ist, die stationären, räumlichen Strömungsvektoren an jeder Messposition aufzulösen. Um ein Gesamtbild der Strömungsverteilung zu erhalten, müssen die Messungen an mehreren Positionen sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung durchgeführt werden.

Abb. 1: Lotus ARP Mach CFM56

»» H2-IGCC Low Emission Gas Turbine Technology for Hydrogenrich Syngas 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.

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 zeigen 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. www.h2-igcc.eu

Abb. 2: H2-IGCC Meridionalschnitt

Abb. 3: H2-IGCC Mittelschnitt

Ausgewählte Veröffentlichungen »» M. Ernst, A. Michel, P. Jeschke: „Analysis of rotor-stator-interactions and blade-to-blade measurements in a two stage axial flow compressor ” ASME Journal of Turbomachinery, Vol.133, Nr. 1 (2011), S. 1-12.

»» T. Palme, P. Waniczek, H. Hönen, M. Assadi, P. Jeschke: „Compressor map prediction by neural networks” Third International Conference on Applied Energy - May 16.-18, 2011, Perugia, Italy.

»» M. Eifel, V. Caspary, H. Hönen, P. Jeschke: „Experimental and numerical analysis of gas turbine blades with different internal cooling geometries” ASME Journal of Turbomachinery, Vol. 133, Nr. 1 (2011), S. 1-9.

»» M. Restemeier, Y. Gündogdu, P. Jeschke, J. Gier: „Experimental and numerical investigation of blade row spacing effects in a 1.5 stage turbine rig under off-design operating conditions” Proceedings of 20th ISABE Conference: September 12-16, 2011, Göteburg, ISABE-2011-1722.

»» R. Kunte, P. Schwarz, B. Wilkosz, P. Jeschke, C. Smythe: „Experimental and numerical investigation of tip clearance and bleed effects in an centrifugal compressor stage with pipe diffuser” Proceedings of ASME Turbo Expo 2011 : June 6 - 10, 2011, Vancouver, Canada, GT2011-45128.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 3.905.000 €

Lehrstuhl Informationsmanagement im Maschinenbau Zentrum für Lern- und Wissensmanagement Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke

Die Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls Informationsmanagement im Maschinenbau IMA sind der Einsatz von Methoden der Informatik in allen Anwendungsbereichen des Maschinenbaus, darunter speziell in den Feldern Produktionstechnologie, Verkehr, Mobilität und E-Health. Am IMA werden Methoden zur Daten- und Informationsintegration für die Kontrolle und Überwachung von Produktionssystemen 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.

IMA/ZLW - RWTH Aachen University Dennewartstr. 27 52068 Aachen Tel.: +49 241/80-91110 Fax: +49 241/80-91122 jeschke.office@ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de 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. Forschungsschwerpunkt ist die systemorientierte Betrachtung von Personal-, Organisations- und Technikentwicklung. In den vier Forschungsschwerpunkten des Zentrums - „Karriereforschung“, „Knowledge Engineering“, „Didaktik in den MINTWissenschaften“ und „Innovations- und Zukunftsforschung“ - werden Forschungs-, Lehr- und Dienstleistungsprojekte von interdisziplinären Forscherteams durchgeführt.

»» Studienrichtungen Maschinenbau allgemein (Grundstudium) »» Schwerpunkte Entwicklung und Einsatz von IT-Systemen im Maschinenbau, insb. in Verkehrswesen und Logistik, (teil-) autonome Systeme, kooperative Robotik, Cloud Computing, Telemedizin/eHealth, Prozesssimulationen

Zum Institutsverbund aus IMA und ZLW gehört außerdem das Institut für Unternehmenskybernetik e.V. IfU, An-Institut der RWTH Aachen (www.ifu. rwth-aachen.de). Zu den Räumen der Institute gehören das Schülerlabor RoboScope und das 2012 eröffnende DLR-Labor, ein Laboratorium „Cognitive Car“ mit einem LKW-Fahrsimulator sowie ein hexapodenbetriebener Simulator. Zudem betreibt das Institut für die Fakultät den Aachener Rechner Pool ARPA im Obergeschoß des Audimax.

»» Personal 1 Professorin, 5 Obering./-innen, 40 wiss. Mitarbeiter/-innen, 15 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 150 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“

»» Graduiertenkolleg 1491/1 „Anlaufmanagement – Entwicklung von Entscheidungsmodellen im Produktionsanlauf“

Ziel des Teilprojekts B.1 ist, die Disharmonie von Modellen interagierender Design-Domänen durch semantische Vernetzungen aufzubrechen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten des IMA liegt in der Entwicklung von Methoden und Werkzeugen, um die Integration von heterogenen Simulations- und Applikationsdaten zu realisieren und eine konsolidierte, durchgängige Analyse zu ermöglichen. Hierbei kommen Ontologie-basierte Verfahren zum Einsatz, die eine Formalisierung und Nutzung domänenspezifischen Expertenwissens durch IT-Systeme ermöglichen. Neue Möglichkeiten zur Identifikation von Wirkzusammenhängen und von Optimierungspotentialen in Produktionsprozessen werden geschaffen. Produktionsprozesse, die durch heterogene Einzelsimulationswerkzeuge beschrieben werden, werden vollständig und integriert simuliert.

Im Rahmen des Graduiertenkollegs beforschen die neun beteiligten, interdisziplinären Lehrstühle die zentrale Forschungsidee, den Produktionsanlauf als multidimensionales, interdisziplinäres und hochgradig interdependentes Entscheidungsproblem zu verstehen. Zentrale Herausforderung des Anlaufmanagements ist es, eine große Zahl voneinander abhängiger Entscheidungen in einem dynamischen und interdisziplinären Umfeld, in möglichst kurzer Zeit und mit möglichst gutem Ergebnis zu treffen. Die Charakteristik dieses Entscheidungsproblems wird zum einen durch die außerordentlich hohe Verzahnung der zu treffenden Entscheidungen auf vernetzte Prozesse und zum anderen durch den hohen Zeitdruck und die sich stetig verändernden Rahmenbedingungen bestimmt, die dem Produktionsanlauf immanent sind.

Ziel des Teilprojekts D.3 ist der Entwurf einer Designmethodologie für selbstoptimierende Produktionen, die auf kognitiven Kontrolleinheiten basieren. Das IMA beschäftigt sich dabei mit der Entwicklung und Integration intelligenter Steuerungen in produktionstechnische Systeme. 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.

Abb. 2: Das Produktionslogistikszenario des RoboCup 2011

Abb. 1: Die Domänen des IMA innerhalb des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“

»» TelliBox

»» TemRas

Im EU-geförderten Projekt TelliBox wird eine innovative Ladeeinheit, die MegaSwapBox, für den intermodalen Transport auf Straßen, Schienen, Inland- und Kurzstreckenwasserstraßen entwickelt, zusätzlich ein adaptives Chassis für den Straßentransport. Die Erfahrungen der Projektpartner aus der Forschung, von Fahrzeug- und Aufbauherstellern sowie dem Speditionsgewerbe fließen in einem kundenorientierten Ansatz zusammen.

Das Aachener Forschungsprojekt „TemRas - Telemedizinisches Rettungsassistenzsystem“ startete im August 2010. Als eines von sieben Teilprojekten des Medizintechnik-Clusters „medtec-in.nrw“ wird TemRas bis 2012 vom Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen (MIWF) gefördert. TemRas setzt die Bemühungen des Vorgängerprojekt Med-on-@ix fort, die Versorgungsqualität in der Notfallmedizin durch konsequente Erforschung der Einsatzmöglichkeiten von Telemedizin zu steigern. Das System bietet dem Rettungsdienstpersonal die Möglichkeit, einen Telenotarzt zur sofortigen Unterstützung jederzeit hinzuzuziehen. Durch eine informationstechnologische Vernetzung zwischen Rettungsdienst und weiterbehandelnden Einrichtungen wird die Notfallversorgung deutlich verbessert. Über einen Entwicklungszeitraum von zwei Jahren wird ein optimiertes und erweitertes System realisiert, ab 2012 verfügen fünf ausgewählte Rettungsdienstbereiche in NRW über einen telemedizinisch ausgestatteten Rettungswagen und sind an die TelenotarztZentrale angeschlossen.

Ziel ist, dem Anstieg im Frachtverkehr zu begegnen, indem die verschiedenen Verkehrsträger in ihrer Kombination jeweils optimal genutzt und mehr Transporte von der Straße auf die Schiene oder Inland- und Kurzstreckenwasserstraßen verlagert werden. Die MegaSwapBox vereint dazu die Vorzüge von Containern, Wechselbrücken und Megatrailern. Sie ist stapelbar, ihre Innenhöhe beträgt 3 m, ihre Länge 45 Fuß und ihre Ladekapazität beträgt 100 Quadratmeter. Die MegaSwapBox hat zu öffnende Seiten, gewährleistet dadurch eine effiziente und sichere Handhabung und ist auf existierenden Straßen-, Schienen- und Wassernetzen einsetzbar. Die entwickelten Prototypen wurden 2010 auf realen Frachtrouten getestet.

Abb. 4: Die Telenotarztzentrale des Projekts TemRas Abb. 3: Die MegaSwapBox des Projekts TelliBox

Ausgewählte Veröffentlichungen »» S. Jeschke, I. Isenhardt, and K. Henning: Eds., Automation, Communication and Cybernetics in Science and Engineering 2009/2010. Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2011.

»» S. Jeschke, I. Isenhardt, F. Hees, and S. Trantow: Eds., Enabling Innovation: Innovative Capability - German and International Views. Springer Berlin Heidelberg, 2011.

»» S. Jeschke, H. Liu, and D. Schilberg: Eds., Intelligent Robotics and Applications: 4th International Conference, ICIRA 2011, Aachen, Germany, December 6-8, 2011, Proceedings, Part I/ II, 2011st ed., vol. 7101/7102. Springer, 2011.

»» M. Alfraheed, A. Dröge, R. Kunze, M. Klingender, D. Schilberg, and S. Jeschke: “Real time detection of the back view of a preceding vehicle for automated heterogeneous platoons in unstructured environment using video,” in 2011 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC 2011), Anchorage, Alaska, 9-12 October 2011, 2011, pp. 549-555.

»» D. Schilberg, T. Meisen, R. Reinhard, and S. Jeschke: “Simulation and Interoperability in the Planning Phase of Production Processes,” in Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition (IMECE2011), Denver, Colorado, USA, 11-17 November 2011, 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 4.390.000 €

Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Produktionsmanagement

Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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.

WZL - Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Produktionsmanagement

Der Lehrstuhl teilt sich in drei Felder:

Steinbachstr. 19 52074 Aachen

»» Die Gruppe Fabrikplanung 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. Aktuelle Forschungsthemen sind die energieeffiziente Fabrik, Lean Engineering for Factories und interdisziplinäre Fabrikplanung.

Tel.: +49 241/80-27406 Fax: +49 241/80-22293 a.kampker@wzl.rwth-aachen.de www.wzl.rwth-aachen.de

»» Die Gruppe Montageorganisation 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.

»» Studienrichtungen Produktionstechnik »» Schwerpunkte Fabrikplanung, Montageorganisation, Elektromobilproduktion

»» Die Gruppe Elektromobilproduktion am Lehrstuhl beschäftigt 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.

»» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 16 wiss. Mitarbeiter/-innen, 3 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 54 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» ProLiBat Gestaltung einer durchgängigen Produktionsstruktur für die Fertigung von Lithium-Ionen Batteriezellen durch Integration der einzelnen, independenten Produktionstechnologien in einen standardisierten Gesamtprozess Das Forschungsprojekt wird innerhalb des Rahmenkonzeptes „Rationelle Energieverwendung, regenerative Energien und Energiesparen (progress. NRW)“ gefördert.

Im Mittelpunkt steht dabei die Gestaltung einer durchgängigen sowie erweiterbaren Produktionsstruktur mit standardisierten Schnittstellen und einem durchgängigen Logistik- und Werkstückträgerkonzept. Durch die Einbindung einzelner Anlagen in die Gesamtproduktionsstruktur wird eine integrative Optimierung der einzelnen Produktionstechnologien als Bestandteil der Gesamtprozesskette ermöglicht.

Schwerpunkt des Forschungsvorhabens ist die Produzierbarkeit von elektrofahrzeugtauglichen Lithium-Ionen-Batteriezellen. Basierend auf einer systematischen Analyse der Produktionsschritte sollen in einem integrativen Verbesserungszyklus die Produktionsprozesse und -strukturen sowie die Produktionstechnologien in Richtung einer skalierbaren, serientauglichen und standardisierten Fertigung entwickelt werden.

Ziel des Vorhabens ist letztendlich der Aufbau eines serientauglichen Produktionsprototyps in Form eines Demonstrators.

Abb. 1

»» eProduction Produktionsforschung zu Hochvoltspeichersystemen für die Elektromobilität Teilprojekt: Produktionsforschung zur Gestaltung serientauglicher Technologien und Prüfmechanismen für Hochvoltspeichersysteme Ziel der beteiligten Institute der RWTH Aachen ist es, über serienflexible Produktionsprozesse die Montage von Batterien zu wettbewerbsfähigen Preisen in einem großen Stückzahlkorridor zu ermöglichen. Dazu werden Produktaufbau und Produktionsprozesse der Batterie hinsichtlich Flexibilität und Produzierbarkeit analysiert und optimiert. Die Forschungsbemühungen zielen auf eine Verbesserung der zentralen Zielgrößen - Zeit, Kosten und Qualität - ab.

In insgesamt 10 Arbeitsschritten werden Produktionsstrukturen, Produktionsprozesse, Prüfmechanismen und Konzepte zum Aufbau, zur Kühlung und Dichtung sowie zum Leichtbau eines Batteriepacks erforscht und erprobt. Den Ausgangspunkt stellt dafür die Analyse des Produktions- bzw. Montageprozesses für alle Komponenten des Batteriepacks dar. Weiterführend wird der Aufbau der Batterie von der Zelle über deren Verbau zu Modulen hin zum Batteriepack und die dazugehörigen Produktionsverfahren erforscht, wozu beispielsweise die Technologieauswahl geeigneter Kontaktierungs- und Prüfverfahren zählt. Produktseitig liegt der Fokus auf geeigneten Dichtsystemen und Kühlungskonzepten. Die Ergebnisse werden abschließend in eine Gesamtproduktionsstruktur überführt und in einem 3D-Demonstrator abgebildet. Neben den beschriebenen inhaltlichen Arbeiten widmet sich die RWTH Aachen insbesondere der Konzeption von Schulungskonzepten für die notwendigen Mitarbeiter.

Das Projekt wird durch das BMBF gefördert.

Abb. 2

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Kampker, A.; Gartzen, T.; Kamp, S.: Intelligente Instandhaltung. In: Energy 2.0 4 (2011), 8, ISSN 1866-1335, S. 30-32.

»» Kampker, A.; Schuh, G.; Swist, M.; Ivanescu, S.: Future Assembly Structures for Electric Vehicles. In: ATZautotechnology 11 (2011), 2, ISSN 1616-8216, S. 58-62.

»» Schuh, G.; Kampker, A.; Burggräf, P.; Nee, C.: Production systems with respect for variable quantities for an economical electric vehicle production. Veranstaltung: „IEEE IEEM“, Singapur, 06 - 09 December 2011

»» Schuh, G.; Kampker, A.; Franzkoch, B.; Meckelnborg, A.; Deutskens, C.: Condition based planning for processes, resources and industrial buildings. In: “Proceedings of the 22nd Annual Conference of the Production and Operation Management Society, POMS 22nd Annual Conference RenoOperations Management: The Enabling Link”, Nevada, USA, 29 April - 02 May 2011. Hrsg.: Correa, E., POM School of Management, The University of Texas at Dallas, USA 2011, ISBN 978-0615-46993-5, CD-ROM.

»» 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.

Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke

»» Grundlagen der Zerspanung »» Zerspantechnik »» Schleiftechnik »» Umformtechnik »» Technologieplanung »» Produkt- und Prozessüberwachung »» Technologie der Zahnradfertigung

WZL - Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Steinbachstr. 19 52074 Aachen Tel.: +49 241/80-27402 Fax: +49 241/80-22293 info@wzl.rwth-aachen.de www.wzl.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Fertigungstechnik »» Schwerpunkte Zerspantechnologie, Schleiftechnik, Umformtechnik, Technologieplanung, Überwachen und Abtragen, Getriebetechnik »» Personal 1 Professor, 4 Obering./-innen, 51 wiss. Mitarbeiter/-innen, 24 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 103 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» Flüssiger Stickstoff in der Zerspantechnik Derzeit werden am WZL umfangreiche Zerspanuntersuchungen zum Einsatz der Kryokühlung durchgeführt. Ergebnisse mit flüssigem Stickstoff (LN2) zur Prozesskühlung beim Schaftfräsen von TiAl6V4 zeigen das hohe Potential der LN2 Kühlung. Nach einer Einsatzzeit von 16 min ist der Freiflächenverschleiß beim Einsatz der Überflutungskühlung deutlich sichtbar. Hingegen liegt beim Einsatz der LN2 Kühlung kaum Verschleiß an den Fräsern vor. Wie diese Untersuchungen zeigen, ist das technologische Potenzial der LN2-Kühlung groß. Durch die Nutzung der LN2-Kühlung ist es möglich, den Werkzeugverschleiß deutlich zu reduzieren, beziehungsweise die Schnittparameter zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil ist die Eigenschaft, dass der flüssige Stickstoff noch während der Bearbeitung vollständig vergast und dadurch Bauteile, Späne und Maschineninnenräume trocken und sauber bleiben.

Die Bearbeitung von hochwarmfesten Legierungen wie Titan- und Nickelbasislegierungen stellt besondere Anforderungen an die Schneidstoffe, Beschichtungen und die Kühlschmierstrategie. Auf Grund der hohen Zerspantemperaturen wird die Titanbearbeitung nahezu ausschließlich nass durchgeführt. Doch trotz der Nutzung von Kühlschmierstoffen erliegen die Werkzeuge innerhalb kurzer Zeit thermisch bedingten Verschleißmechanismen. Eine Möglichkeit, die zur Reduktion der Zerspantemperaturen und der thermisch bedingten Verschleißmechanismen diskutiert wird, ist die Kryokühlung. Bei der Kryokühlung werden in der Regel flüssiger Stickstoff ( 196 °C) oder CO2 Schnee (-79 °C) als Kühlmittel eingesetzt. Die Vorteile der Kryokühlung sind deutlich geringerer Werkzeugverschleiß beziehungsweise höhere anwendbare Schnittparameter. Derzeit werden am WZL umfangreiche Zerspanuntersuchungen zum Einsatz der Kryokühlung durchgeführt. Ergebnisse mit flüssigem Stickstoff (LN2) zur Prozesskühlung beim Schaftfräsen von TiAl6V4 zeigen das hohe Potential der LN2 Kühlung. Nach einer Einsatzzeit von 16 min ist der Freiflächenverschleiß beim Einsatz der Überflutungskühlung deutlich sichtbar. Hingegen liegt beim Einsatz der LN2 Kühlung kaum Verschleiß an den Fräsern vor. Wie diese Untersuchungen zeigen, ist das technologische Potenzial der LN2Kühlung groß. Durch die Nutzung der LN2-Kühlung ist es möglich, den Werkzeugverschleiß deutlich zu reduzieren, beziehungsweise die Schnittparameter zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil ist die Eigenschaft, dass der flüssige Stickstoff noch während der Bearbeitung vollständig vergast und dadurch Bauteile, Späne und Maschineninnenräume trocken und sauber bleiben.

Abb.1 : Versuchsaufbau (links) und Werkzeugverschleiß an VHM-Schaftfräsern (rechts) beim Fräsen unter Einsatz der LN2-Kühlung und der Überflutungskühlung im direkten Vergleich

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Klocke, F.; Gorgels, C.; Weber, G.; Schalaster, R.: Prognosis of the local tool wear in gear finish hobbing in: Production Engineering - Research and Development 6 (2011) 5, ISSN 0944-6524, S. 651-657.

»» Klocke, F.; Lung, D.; Essig, C.: 3D FEM Model for the Prediction of Chip Breakage in: Advanced Materials Research (2011) 223, ISSN 1022-6680, S. 142-151.

»» Klocke, F.: Manufacturing Processes 1 – Cutting RWTHedition, Springer Verlag Berlin 2011, ISBN 978-3-642-11978-1.

»» Klocke, F.; Arft, M.; Lung, D.: Austempered Ductile Iron (ADI) - Nutzen der werkstoffspezifischen Vorteile durch angepasste Zerspanbarkeit in: Antriebstechnisches Kolloquium ATK 2011, Hrsg.: Brecher, C., Apprimus Verlag Aachen 2011, ISBN 978-3-940565-83-9, S. 455-473.

»» Klocke, F.; Lung, D.; Sangermann, H.: Hochdruck-Kühlschmierstoffzufuhr senkt die Werkzeugtemperatur in: Maschinenmarkt 117 (2011) 36, ISSN 0341-5775, S. 124-128.

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung Forschungsschwerpunkte »» 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

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Reinhold Kneer WSA - Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung Eilfschornsteinstraße 18 52062 Aachen Tel.: +49 241/80-95400 Fax: +49 241/80-92143 info@wsa.rwth-aachen.de www.wsa.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen 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, 22 wiss. Mitarbeiter/-innen, 17 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 35 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» FLOX COAL 2 Flammlose Kohlestaubverbrennung 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.

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. Dadurch werden der apparative Aufwand und die Betriebskosten (insbesondere für NH3) gesenkt. In vorangegangenen Forschungsarbeiten wurde die Kohlenstaubverbrennung im Labormaßstab realisiert und untersucht. Zur Anwendung dieser Technologie im großindustriellen Maßstab sind Skalierungsmethoden für die FLOX-Brenner notwendig. Die Lücke zwischen bisherigen Versuchsbrenner und industrieller Anwendung ist zu groß für eine direkte Skalierung. Daher ist es Ziel des WSA, innerhalb des von der EU (RFCS) geförderten Projektes Skalierungsmethoden und Simulationswerkzeuge für die flammlose Kohlenstaubverbrennung (FLOX) in industriellen Feuerungen zu entwickeln. 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. Forschungsziel ist die Erkenntnis der NOX-Entstehung unter FLOX-Bedingungen, die Zuverlässige Modellierung der FLOX-Verbrennung und die Bereitstellung validierter Auslegungswerkzeuge für den Kraftwerksbauer.

»» Excellenzcluster Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse Die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieressourcen in Verbindung mit steigenden CO2-Emissionen und einem weltweit steigenden Energiebedarf erfordert die Erschließung alternativer Energieträger. Vor diesem Hintergrund hat sich der Exzellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ 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 Wärme- und Stoffübertragung (WSA) wird der Kraftstoffeinfluss auf den primären Strahlzerfall und die nachfolgende Strahlausbreitung und -verdunstung experimentell untersucht. Die Untersuchungen werden sowohl unter atmosphärischen als auch unter motornahen Umgebungsbedingungen an speziellen Hochdruck- und Hochtempe-raturkammern durchgeführt. Zum Einsatz kommen dabei verschiedenste Messtechniken wie z.B. die „Laser-Correlation-Velocimetry“ zur zeitlich hochaufgelösten Geschwindigkeitsmessung, die „Phasen-Doppler-Anemometrie“ zur Bestimmung von Tropfengrößen und -geschwindigkeiten oder das „Ballistic Imaging“ zur phenomenologischen Analyse des Primärzerfalls. Ziel der komplementären Untersuchungen ist die fundierte Vorhersage des Kraftstoffeinflusses auf die Gemischbildung und im Umkehrschluss die Definition erstrebenswerter Kraftstoffeigenschaften für eine optimale Gemischbildung.

Abb. 1: Simulation der Temperaturverteilung in einer Drallflamme und einer FLOX-Verbrennung

Abb. 2: Femtosekundenlaser-System für „Ballistic Imaging“

»» Helmholtz Virtuelles Institut Kinetik des Koksabbrandes von Biomasse Die stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse erfordert Vergasungs- und/oder Verbrennungsprozesse in unterschiedlichen Atmosphären. Zum Verständnis der in diesen Prozessen 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. Daher ist das Ziel, die Koksabbrand-Kinetik und die Pyrolyseprodukte bei schneller Aufheizung kleiner Biomassepartikel auf 800 bis 1.200°C in CO2/O2- oder N2/O2-Atmosphäre zu bestimmen. Im Rahmen von HVIGas werden dazu am WSA Kinetikdaten in einem Wirbelbettreaktor in Labormaßstab bei hohen Temperaturen von 800°C bis 1200°C, hoher Aufheizrate 1000°C/s und unterschiedlichen Atmosphären für Koks aus Biomasse experimentell ermittelt.

»» SFB 686 Modellbasierte Regelung der Homogenisierten Niedertemperaturverbrennung

»» Energieeffienzanalyse und -optimierung der koaxialen Erdwärmesonde Geokoax

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 traditionelle Verbrennungsprozesse langfristig ablösen. Ein Hindernis auf diesem Weg sind prozessbedingte Verbrennungsinstabilitäten, die sich durch einfache Eingriffe in die Prozessführung nicht beheben lassen. Das Ziel des Sonderforschungsbereichs 686 ist die Stabilisierung der Niedertemperaturverbrennung durch modellbasierte, prädiktive Regelung. 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 festlegt. Zur Charakterisierung des Einspritzvorgangs kommen verschiedene Messtechniken zum Einsatz, wie z.B. die Phasen. Doppler Anemometrie zur Bestimmung lokaler Tropfengrößen und -geschwindigkeiten, oder Lichtschnitttechniken zur Erfassung des gesamten Sprühstrahls. Diese Messungen dienen zur Entwicklung empirischer Modelle und zur Validierung numerischer Modelle, die zur Simulation des Gemischbildungsprozesses eingesetzt werden. Das Ziel des am Lehrstuhl angesiedelten Teilprojekts besteht darin, ein reduziertes Gemischbildungsmodell zu entwickeln, das eine einfache Kopplung zwischen den Einspritzparametern und dem Ausgang der Gemischbildung herstellt.

Erdwärmesonden gelten aufgrund der relativen Temperaturstabilität einer nachhaltigen Wärmequelle als wirtschaftliche Option, Wärmepumpen mit der notwendigen Energie zu versorgen. Üblich sind dabei Doppel-U-RohrSonden, Erdkollektoren oder Koaxial-Sonden mit geringem Durchmesser. Koaxial-Sonden mit einem größeren Außendurchmesser bieten ein deutlich größeres Innenvolumen und eine homogene, große Außenfläche für die Energieaufnahme aus dem Erdreich. Im Rahmen des ZIM-Projektes „Energieeffizienz Geokoax-Erdwärmesonde“ wird dieser Typ hinsichtlich der Strömungsverhältnisse und Wärmeübergangsparameter analysiert. Aufgrund der geringen Volumenströme ist im vorliegenden Temperaturbereich eine laminare Strömung zu erwarten, die negative Auswirkungen auf den Wärmeentzug aus dem Erdreich hat. Um diesen trotzdem zu erhöhen, stehen speziell entwickelte Verwirbelungskörper im besonderen Fokus dieses Forschungsprojektes. Diese Bauelemente, die sich im Ringraum der Koaxialsonde befinden, werden in zwei Prüfständen analysiert und hinsichtlich Druckverlust und Wärmeübergang optimiert. Numerische Berechnungen unterstützen diesen Prozess. Ziel ist die Bestimmung von Druckverlustkennfeldern und Wärmeübergangsgesetzen für verschiedene Volumenströme und Verwirbelungskörper. Abb. 4: links: Versuchsaufbau mit transparentem Rohr zur Strömungsanalyse; rechts: CFD-Siumlation der Verwirbelung durch die Einbauten im Vergleich zu der Visualisierung im Versuch

Abb. 3: Simulation eines Hohlkegelsprühstrahls (links) in Vergleich zu einer Laserlichtschnittmessung am realen Sprühstrahl

Ausgewählte Veröffentlichungen »» Heil, P., Toporov, D., Förster, M., Kneer, R.: Experimantal Investigation on the Effect of O2 and CO2 on Burning Rates During Oxyfuel Combustion of Methane; Proceedings of Combustion Institute 33 (2011) 3407/3413.

»» Reddemann, M. A., Mathieu, F., Martin, D., Kneer, R.: Impact of Physical Properties on Primary Breakup for a Diesel Nozzle Configuration; Atomization and Sprays 21 (2011) 2.

»» Stadler, H., Christ, D., Habermelhl, M., Heil, P., Kellermann, A., Ohliger, A., Toporov, D., Kneer, R.: Experimental Investigation of NOx Emissions in Oxycoal Combustion; Fuel 90 (2011) 4, 1604/1611.

»» Stadler, H., Beggel, F., Habermehl, M., Persigehl, B., Kneer, R., Modigell, M., Jeschke, P.: Oxyfuel coal combustion by efficient integration of oxygen transport membranes; International Journal of Greenhouse Gas Control 5 (2011) 1, 7/15.

»» Ustinov, V., Schulz, S., Kneer, R., El-Magd, E.: Modellentwicklung für den Kontaktdruckabhängigen Wärmeübergang; MTZ - Motortechnische Zeitschrift 2 (2011) 142/147.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 1.187.000 €

Elektrochemische Verfahrenstechnik

Forschungsschwerpunkte 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. Die physikalischen, chemischen und elektrochemischen Prozesse finden auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen statt. Bei der Modellierung von Brennstoffzellen sind stark nichtlinear gekoppelte Prozesse auf unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen zu berücksichtigen. Diese unterschiedlichen Skalen verhindern oftmals die Verwendung eines einzigen Modellansatzes. Deshalb ist es sinnvoll, für die jeweilige Problemstellung ein geeignetes Modell beziehungsweise Simulationswerkzeug auszuwählen. 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 Zellund 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.

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Werner Lehnert Forschungszentrum Jülich Institut für Energie- und Klimaforschung IEK - 3 Elektrochemische Verfahrenstechnik Modellierung in der Elektrochemischen Verfahrenstechnik Wilhelm-Johnen-Straße 52425 Jülich Tel.: +49 2461/61-3915 Fax: +49 2461/61-6695 w.lehnert@fz-juelich.de www.fz-juelich.de

»» Studienrichtungen Modellierung in der Elektrochemischen Verfahrenstechnik »» Schwerpunkte Entwicklung und Modellierung von Brennstoffzellen »» Personal 0 Professor, 0 Obering./-innen, 14 wiss. Mitarbeiter/-innen, 5 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 4 stud. Mitarbeiter/-innen

Die Schwerpunkte sind: »» Modellierung und Simulation von Brennstoffzellen auf Stack- Zellund Zellkomponentenebene, insbesondere für HochtemperaturPolymerelektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFC) »» Entwicklung von HT-PEFC Stapeln bis 5kWel »» Elektrodenenwicklung für HT-PEFC

Ausgewählte laufende Projekte »» 3D-Analyse, Modellierung und Simulation der Mikrostruktur und Transportprozesse in faserbasierten porösen Werkstoffen

»» Modellierung und Simulation von Hochtemperatur-PolymerelektrolytBrennstoffzellenstapeln

DIm 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.

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 mittels Detailmodellen bestimmt wurden, fließen in die Simulationen ein. Die Beschreibung der Elektrochemie ist ein ganz wesentlicher Aspekt innerhalb der Brennstoffzellenmodellierung. Die Modellgleichungen zur Beschreibung der kathodischen und anodischen Verluste werden mittels Usere Defined Funtions (UDFs) in das Simulationstool Fluent integriert. Aufgrund des Brenngases, welches CO enthält, wird zusätzlich die anodenseitige Katalysatorvergiftung durch diese Gaskomponente berücksichtigt. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeiten ist die Modellverifikation. Sowohl Einzelzellen als auch Zellstapel bis in den kW-Leistungsbereich wurden entwickelt, gebaut und detailliert vermessen. Neben den globalen StromSpannungskurven wurden lokale Stromdichte-und Temperaturverteilungen in Stacks gemessen. Diese Messungen dienen zur Verifikation der Modelle.

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.

Abb. 2: Simulierte (oben links) und gemessene (oben rechts) Stromdichteverteilung in einen fünfzelligen HT-PEFC Stack. In der unteren Bildreihe sind das Flowfield und der Aufbau des Stacks dargestellt.

Abb. 1: Lattice Boltzmann Simulation des Gastransportes in einem stochastisch äquivalenten Feinstrukturmodell einer Gasdiffusionslage. Die Abbildungen zeigen drei verschiedene Realisierungen des Modells. Die berechneten Toruositäten sind in der linken Abbildung dargestellt.

»» Flexible Simulation von Brennstoffzellen Ziel dieses Projektes ist die Bereitstellung einer flexiblen und kostengünstigen Software zur strömungstechnischen Auslegung von Brennstoffzellen. Auf dem Gebiet der numerischen Strömungssimulation gibt es eine Vielzahl von kommerziellen Softwarepaketen. Einige dieser Softwarepakete sind sehr speziell und nur auf einen recht eingegrenzten Anwendungsbereich fokussiert, andere Programme decken ein sehr breites Feld von Anwendungen ab. Allen diesen Programmen ist jedoch gemein, dass die Kosten für Lizenzen sehr hoch sind. Weiterhin sind diese kommerziellen Programme naturgemäß hinsichtlich des Zugriffs auf ihren Quellcode extrem restriktiv. Diesem weiten Feld an CFD-Softwarepaketen steht die nicht kommerzielle CFD-Software OpenFOAM gegenüber. Diese Software steht jedem zur Installation kostenlos zur Verfügung. Darüber hinaus wird von den Entwicklern dieser Software der Zugriff auf den Quellcode gewährt. Im Rahmen des Projektes werden, basierend auf OpenFOAM, Modelle entwickelt, um Brennstoffzellen simulieren zu können. Die Modelle sollen als Open Source zur Verfügung gestellt werden.

Abb. 3: Zwei verschaltete HT-PEFC Stacks im Teststand des IEK-3. Die beiden Stacks erzielen eine Leistung von insgesamt 5 kWel, bei Betreib mit synthetischem Dieselreformat. Die rechte Bildseite zeigt ein Modul der modular aufgebauten Stacks.

Ausgewählte Veröffentlichungen »» L. Lüke, H. Janßen, W. Lehnert, D. Stolten: Current Density Distribution Measurement in HT-PEFC-Stacks Operated with Reformate Gas from Middle Distillates ECS Transactions, 41 (1) 1935-1941 (2011).

»» R. Thiedmann, I. Manke, W. Lehnert, V. Schmidt: Random geometric graphs for modelling the pore space of fibre-based materials J. Material Sci. 46 (2011) 745–7759, DOI.1007/s10853-011-5754-7 (2011).

»» W. Maier, T. Arlt, C. Wannek, K. Wippermann, I. Manke, W. Lehnert, D. Stolten: Investigation on HT-PEFCs by Means of Synchrotron X-ray Radiography and Electrochemical Impedance Spectroscopy ECS Transactions, 41 (1) 1413-1422 (2011).

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 560.000 €

Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme Forschungsschwerpunkt »» Optische Systeme für Laserquellen und -anlagen

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Peter Loosen

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.: +49 241/890-6162 Fax: +49 241/890-6121

»» Optische Systeme für Beleuchtungsanwendungen

peter.loosen@tos.rwth-aachen.de 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.

»» Studienrichtungen 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 1 Professor, 1 Obering./-innen, 21 wiss. Mitarbeiter/-innen, 1 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 19 stud. Mitarbeiter/-innen

Ausgewählte laufende Projekte »» Modellprädiktive Regelung aktiver optischer Systeme

»» EUV Hartmann Wellenfrontsensor

Geregelte Systeme erlauben eine aktive Anpassung des Systemverhaltens auf sich ändernde Prozessbedingungen. Bei der Übertragung von klassischen, auf Rückkopplung einer Regelgröße basierenden Regelungsansätzen auf optische Systeme werden derzeit insbesondere folgende Defizite identifiziert:

Das Vermessen von Wellenfrontprofilen im kurzwelligen Spektralbereich bietet eine einzigartige Möglichkeit, simultan flächig die Amplituden- und Phasenverteilung einer einfallenden oder reflektierten Wellenfront aufzunehmen. Dies ermöglicht ein breites Anwendungsspektrum wie die Charakterisierung von Strahlungsquellen im kurzwelligen Spektralbereich oder die Qualitätskontrolle von auf Mehrschichtsystemen basierenden Masken und Spiegeln hinsichtlich deren Ebenheit.

Die Erfassung optischer Gütekriterien erfordert oftmals teure und zeitintensive Messmittel; in Zusammenhang mit optischen Regelstrecken werden oftmals Mehrgrößencharakter sowie Nichtlinearitäten beobachtet. Die Anwendung einer modellprädikativen Regelung kann diese Hindernisse bei der Regelung komplexer optischer Systeme beheben, indem durch die Verwendung von Simulationsmodellen Steuergrößen auf Basis des simulierten Systemverhaltens vorhergesagt werden. Am Beispiel des nichtlinearen Mehrgrößenverhaltens eines elektrooptischen Zoom-Teleskops kann das Prinzip der modellprädikativen Regelung demonstriert werden. Die Abbildung des optischen Systemverhaltens erfolgt mittels der Ray-TracingSoftware ZEMAX. Die Erzeugung von Stellgrößen auf Basis der simulierten Regelstrecke erfolgt durch die Verknüpfung von ZEMAX mit der Prozessumgebung von LabVIEW. Basierend auf den Vorgabewerten bezüglich des Abbildungsmaßstabs sowie des Objektabstands kann das Systemverhalten ohne Rückkopplung erforderlicher Regelgrößen eingestellt werden. Die Ablösung der konventionellen Rückkopplung von Regelgrößen durch die modellprädikative Regelung bietet sich für aktive optische Systeme, insbesondere für größere Stückzahlen, an. Zudem ist die Regelung von Systemen möglich, bei denen für die Erfassung der Regelgröße bislang kein Messmittel existiert.

Bei einem Hartmann Wellenfrontsensor (HWS) wird die einfallende Strahlung durch ein spezielles Maskenarray mit Löchern in eine bestimmte Anzahl Strahlen aufgeteilt, die dann auf dem Detektor abgebildet werden. Trifft nun eine unbekannte Wellenfront auf das Array, so verschieben sich die Bilder der Löcher auf dem Detektor, abhängig von der Phasenfront der einfallenden unbekannten Wellenfront. Aus dem Versatz der Lichtpunkte auf dem Detektor kann die Phasenfront zurück gerechnet werden. Abb. 2

Abb. 1

Der entwickelte Sensor kann Wellenfrontabweichungen im Bereich zwischen dem fünften Teils der verwendeten Wellenlänge und ca. 7,5 µm detektieren und damit zur Charakterisierung und Justage von optischen Komponenten oder Systemen im kurzwelligen Spektralbereich verwendet werden.

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»» Algorithmen zur Auslegung von Optiken für energiesparende LED-Automobil-Beleuchtung Freiformoptiken werden besonders häufig gemeinsam mit hochtechnologischen Lichtquellen wie LED, OLED oder Lasern verwendet, um eine effiziente und ressourcenoptimale Umverteilung des Lichts zu erreichen. Die Auslegung optischer Freiformflächen folgt nicht mehr notwendigerweise den Konzepten abbildender Optik sondern zielt auf die Umverteilung von Energie durch Lichtbrechung und –reflexion. Ein Hauptaugenmerk der Forschung des Lehrstuhls liegt auf der effizienten Beschreibung der brechenden oder reflektierenden Oberfläche, sodass mit einer niedrigen Parameteranzahl eine möglichst optimale optische Oberfläche beschrieben werden kann. Prinzipien der Differentialgeometrie und der Computergraphik werden so mit optischen Auslegungsalgorithmen zusammengeführt.

Die auf dieser Basis am Lehrstuhl entwickelten optischen Auslegungsprinzipien wurden gemeinsam mit öffentlichen und industriellen Partnern in verschiedenen Prototypen-Anwendungen erprobt, beispielsweise in der Architektur-, Automobil- oder Allgemeinbeleuchtung. Neuere Entwicklungen zielen auf eine bauraumoptimierte Auslegung mithilfe segmentierter Optiken, die in automobilen Anwendungen durch ihre Gewichtsreduktion zusätzlich den Treibstoffverbrauch von Fahrzeugen reduzieren.

Abb. 3: Prototyp einer segmentierten Kunststoff-Linse für einen energieeffizienten KFZ-Nebelscheinwerfer (gemeinsam mit Hella KGaA Hueck & Co)

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Schmitt, R., Loosen, P., Brecher, C., Pavim, A., Funck, M., Morasch, V., Gatej, A., Pyschny, N., Haag, S.: Self-optimizing flexible assembly systems. Computer Technology and Application 2, 333-343 (2011).

»» Loosen, P., Funck, M., Gatej, A., Morasch, V., Stollenwerk, J.: Integrative Produktion von Mikro-Lasern. In: Brecher, C. (Hrsg.): Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer. Berlin, Heidelberg: Springer, 1068-1114 (2011).

»» Gatej, A., Dolkemeyer, J., Loosen, P. : Stress analysis of extensively and partially soldered optical components. OPTICS AND LASERS IN ENGINEERING 49, 758-763 (2011).

»» Bruneton, A., Bäuerle, A., Loosen, P., Wester, R.: Freeform lens for an efficient wall washer. PROCEEDINGS OF SPIE 8167 SPIE 1-9 (2011).

»» Letsche, S., Jacobs, P., Pluntke, M., Tränkle, S., Gong, H., Marti, O., Mahlmann, D.- M., Loosen, P., Volkmer, D.: 3D characterization of microstructured poly(methacrylic acid) thin films via Mach-Zehnder interference microscopy. THIN SOLID FILMS 519, Nr 22, 8100-8108 (2011).

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 995.000 €

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Aachener Verfahrenstechnik Prozesstechnik Forschungsschwerpunkt 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.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Marquardt

Die Methodenentwicklung erfolgt in den folgenden drei Bereichen:

secretary.pt@avt.rwth-aachen.de www.avt.rwth-aachen.de

»» 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.

AVT.PT - Aachener Verfahrenstechnik - Prozesstechnik Turmstraße 46 52064 Aachen Tel.: +49 241/80-94668 Fax: +49 241/80-92326

»» Studienrichtungen Verfahrenstechnik, Computational Engineering Science »» Schwerpunkte Forschung und Lehre zur modellbasierten Entwicklung und zum modellgestützten Betrieb verfahrenstechnischer Prozesse und Anlagen »» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 28 wiss. Mitarbeiter/-innen, 12 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 50 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» Energieeffizienz-Management und –Benchmarketing für die Prozessindustrie

»» Modellgestützte Prozessführung

Zurzeit stellt die Energieeffizienz den wirkungsvollsten und wirtschaftlichsten Hebel zur nachhaltigen Energieeinsparung dar und ist damit ein zunehmend erfolgsentscheidender Faktor für die chemische Prozessindustrie.

In der Industrie ist die modellprädiktive Regelung (MPC) für stationäre, lineare Prozesse bereits weit verbreitet. Um jedoch auch das wirtschaftliche Potential stark nichtlinearer oder instationärer Prozesse durch optimierungsbasierte Regelung ausreizen zu können, wird seit den achtziger Jahren die nichtlineaere modellprädiktiven Regelung (NMPC) beforscht. Der Lehrstuhl für Prozesstechnik befasst sich hierbei intensiv mit der Entwicklung von Methoden für NMPC und deren nachfolgender Überprüfung auch durch die direkte Anwendung auf reale großtechnische Prozesse.

Zusammen mit Bayer Technology Services (BTS) und weiteren industriellen Partnern (6) entwickelt die AVT.PT ein Energieeffizienz-Management und Reporting System STRUCTese® zur Identifikation von Energieeinsparpotentialen. Etablierte Methoden sind in der Lage, den minimalen Energieverbrauch eines bestehenden chemischen Prozesses zu bestimmen. Um im Rahmen eines Benchmarks das tatsächliche Einsparpotential zu identifizieren, muss nun als entscheidender Schritt der bestehende Prozess mit allen möglichen Aufbereitungsprozessen verglichen werden. Die Identifikation der optimalen Aufbereitung aus allen denkbaren Lösungen stellt einen gewaltigen Suchraum dar. In enger Kooperation mit dem Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik und dem Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik der TU Dortmund verfolgt die AVT.PT das Ziel der Identifikation des optimalen Prozesses. Unter Einbezug von Heuristiken, vereinfachter und rigoroser Modelle, die in diesem Projekt weiterentwickelt werden, soll ein systematisches Rahmenwerk umgesetzt werden. Hierdurch kann der gewaltigen Suchraum aller möglichen Prozesse sukzessive reduziert und der beste Prozess identifiziert werden.

Einen wichtigen Teilaspekt der Methodenüberprüfung stellt insbesondere die Methodeneffizienz dar, um eine ausreichend schnelle Bereitstellung von aktualisierten Steuergrößen zu gewährleisten. Aus diesem Grund wird am Lehrstuhl für Prozesstechnik ein schneller sensitivitätsbasierter Algorithmus entwickelt, der unter anderem auf einer schnellen und exakten Berechnung Sensitivitäten zweiter Ordnung beruht. Zudem wird auch der Zielkonflikt zwischen der Rechengenauigkeit und der Rechenzeitverzögerung, d.h. der verspäteten Bereitstellung von aktualisierten Steuergrößen, untersucht. Die Auswirkungen dieses Zielkonflikts auf die Regelgüte und Prozessstabilität sind vor allem für stark nichtlineare Prozesse mit schneller Dynamik relevant. Abb. 2

Abb. 1

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Lynn Würth, Ralf Hannemann, Wolfgang Marquardt: A two-layer architecture for economically optimal process control and operation. Journal of Process Control, 2011, 21, 311-321.

»» Korbinian Krämer, Andreas Harwardt, Mirko Skiborowski, Sumit Mitra, Wolfgang Marquardt: Shortcut-based design of multicomponent heteroazeotropic distillation. Chemical Engineering Research and Design, 2011, 89, 1168-1189.

»» Andreas Harwardt, Korbinian Krämer, Bettina Rüngeler, Wolfgang Marquardt: Conceptual Design of a Butyl-levulinate Reactive Distillation Process by Incremental Refinement. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2011,19(3), 371-379.

»» Maka Karalashvili, Sven Groß, Wolfgang Marquardt, Adel Mhamdi, Arnold Reusken: Identification of Transport Coefficient Models in Convection-Diffusion Equations. SIAM J. on Scientific Computing, 2011, 33(1), 303-327.

»» Korbinian Krämer, Andreas Harwardt, Rob Bronneberg, Wolfgang Marquardt: Separation of butanol from acetone-butanol-ethanol fermentation by a hybrid extractiondistillation process. Computers & Chemical Engineering, 2011, 35, 949-963.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 1.174.000 €

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Multiscale Modeling of Molecular Transformations Forschungsschwerpunkte Juniorprof. Dr. Ahmed E. Ismail, Ph.D. AVT.MST - Aachener Verfahrenstechnik Multiskalen Modellierung Molekularer Transformationen AICES - Aachen Institute for Advanced Study in Computational Engineering Science, Graduate School

The focuses of the Laboratory for Molecular Simulations and Transformations (formally the Junior Professorship for Multiscale Modeling of Molecular Transformations), founded in March 2010, are the study of complex interfaces, with applications to energy and the environment, along with the development of new methodologies to support that goal.

Tel.: +49 241/80-99128 Fax: +49 241/80-628498

Many problems in materials science currently involve interactions at different material interfaces, such as gas-solid or liquid-solid interfaces in catalysis, or liquid-vapor interfaces in phase equilibria. However, as materials become more complicated - such as via incorporation of biomolecular functionalities or the development of nanoparticles and self-assembled monolayers - the nature of interfaces themselves are becoming more and more complicated.

ahmed.ismail@avt.rwth-aachen.de www.mst.rwth-aachen.de

While rapid development of high-performance computing has made studying such problems tractable, many complex physics questions still remain:

Schinkelstraße 2 52056 Aachen

»» How does the nature of an interface change through incorporation of functional moieties at a surface? »» How can we „tune“ the properties of functional moieties to achieve a particular result? »» How does collective behavior of aggregates differ from two-body processes? »» How does incorporating new materials in these environments affect the physical properties and processing requirements of these materials?

»» Studienrichtungen Molekulare Simulationen komplexierte Systeme »» Schwerpunkte Kraftstoff- und Energieanwendungen, Umwelttechnik, Schnittstelle »» Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 4 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 2 stud. Mitarbeiter/-innen

While experimental methods have produced many exciting new findings in energy and environmental applications in recent years such as using algae to produce biofuels, developing membrane distillation as a strategy for desalination, or discovering microbes that can „leach“ heavy metals out of solutions the fundamentals of the materials science underlying them have not kept pace, preventing the development of process designs and optimization strategies. Our group exploits high-performance computing and novel algorithm development to understand the underlying physical and chemical mechanisms required for future advances in these fields.

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Ausgewählte laufende Projekte »» Simulations of biofuels production

»» Interfacial systems

Using molecular dynamics simulations, we explore the dissolution of cellulose in ionic liquids and other solvents. The breakdown of cellulose from clusters to individual chains and then to individual sugars are some of the most critical steps in the production of novel biofuels from cellulosic biomass. Although many solvents are known to decompose cellulose, the exact mechanisms of this process have not been well understood to date. Because of the atomistic viewpoint of these simulations, we are able to study the behavior of individual atoms and molecules, and track their positions and interactions across time.

Many of the most important scientific and technological problems currently involve studying systems at interfaces: liquid-vapor, solid-liquid, liquidliquid, and solid-vapor. These processes are especially challenging to study using molecular simulations because the potentials and algorithms used to model these systems are typically designed with a focus on bulk phases. The presence of the interface thus acts as a major obstacle, as many approximations designed and validated for bulk systems break down completely. In particular, at interfaces, both electrostatic and dispersion forces become important. Thus, accurate study of these systems requires both significant advances in computational algorithms as well as computing power.

Figure 1: Cellulose

Our group has recently developed a functional long-range solver for dispersion forces to augment the existing long-range electrostatic solvers, and is now using these tools to study the „superspreading“ phenomenon, in which small concentrations of certain surfactants can radically alter the surface tension of a liquid.

By also studying the interactions of water and ionic liquids with each other and with compounds produced from the decomposed cellulose, we can develop a more complete picture of the dissolution process than is available through experiments alone. We have also begun studying the mechanisms by which cellulose Iα and Iβ are broken down; our results suggest that the different anions and cations available lead to radically different decomposition processes.

»» Connections between molecular simulations and continuum models „Multiscale“ models of materials have been an active area of research for the last two decades. To date, however, progress has been quite slow, and „scale-bridging“ techniques that allow for smooth and accurate progression from the atomistic to the continuum scales are still in their relative infancy, as they have been developed only for relatively simple geometries and systems. In combination with the research group of Dr. Roger Sauer (an Emmy Noether young research group leader at RWTH), we are studying how to use multiscale modeling to study polymer brushes. These materials, in which polymer chains are end-grafted onto a surface, have a wide range of applications, including preventing biofouling in medical testing devices, lubrication for engine parts, chemical separations, and microproduction (so-called) „lab-on-a-chip“ and „factory-on-a-chip“ devices.

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publications »» AE Ismail, F Pierce, and GS Grest: Diffusion of small penetrants in polybutadienes. Mol. Phys. 109, 2025 (2011). »» MB Nemer, Y-L Xiong, AE Ismail, and J-H Jang: Solubility of Fe2(OH)3Cl (Pure-Iron End-Member of Hibbingite) in 0.1–5 m NaCl. Chemical Geology. 280, 26 (2011).

»» 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. In press.

DRittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 185.000 €

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Aachener Verfahrenstechnik Mechanische Verfahrenstechnik Forschungsschwerpunkt Der Schwerpunkt der wissenschaftlichen Tätigkeit der „Mechanischen Verfahrenstechnik“ liegt in der experimentellen und numerischen Untersuchung von Transportvorgängen in reaktiven und nichtreaktiven mehrphasigen Systemen. Hierbei werden sowohl ingenieurmäßige Grundlagenuntersuchungen wie auch auf spezielle Apparate und Prozesse fokussierte Entwicklungen durchgeführt. Im Bereich der Verfahrens- und Energietechnik wird die Anwendung von Membranverfahren zur Gasseparation zur Realisierung CO2-emissionsarmer, fossil gefeuerter Kraftwerke untersucht. Daneben werden verschiedenste Hochtemperaturprozesse, wie Klinkerprozesse, Biomassenkraftwerke, Abfallverbrennungsanlagen etc. mit geeigneten Prozesssimulationswerkzeugen zur Optimierung der Prozesse in Hinblick auf den energetischen Wirkungsgrade und Minimierung der Emission simuliert. Zu dem Bereich Energietechnik gehört auch das Projekt zur biosolaren Wasserstoffproduktion. Hier sind, beginnend mit der apparativen Gestaltung des Bioreaktors, alle Schritte des Prozesses Gegenstand der Untersuchungen, die gemeinsam mit Biotechnologen und Biologen durchgeführt werden. Grundlagenuntersuchungen zum Stofftransport werden an Rieselfilmen und an Flüssigkeitsstrahlen durchgeführt. Mit berührungslos arbeitenden Lumineszenzverfahren werden die Konzentrationsverteilungen von absorbierten Gasen in den Flüssigkeiten gemessen. Diese Verfahren wurden selbst entwickelt; sie ermöglichen eine außergewöhnlich hohe zeitliche und örtliche Auflösung in der Konzentrationsbestimmung. Die experimentellen Untersuchungen dienen zur Entwicklung von Stofftransportmodellen, mit denen letztendlich verbesserte Auslegungsmethoden für technische Apparate, wie z.B. Filmabsorber, aufgestellt werden sollen. Ein weiteres Arbeitsgebiet ist die Rheologie. Hier werden grundlagen- und anwendungsorientierte Untersuchungen zum Fließverhalten komplexer Stoffe, insbesondere von Suspensionen, durchgeführt. Beispiele hierfür hierfür sind teilerstarrter Metalllegierungen, Blut, Beton etc. Die aus den rheologischen Experimenten abgeleiteten Fließfunktionen werden in Strömungssimulatoren implementiert, mit denen die Fließvorgänge dieser Stoffe berechnet werden können. Die Ergebnisse der Berechnungen bilden u. a. die Auslegungsgrundlage für Verarbeitungsprozesse, wie z. B. Formgebung, Mischen oder Fördern.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Modigell

AVT.MVT - Aachener Verfahrenstechnik Mechanische Verfahrenstechnik Turmstraße 46 52064 Aachen Tel.: +49 241/80-95984 Fax: +49 241/80-92984 secretary.mvt@avt.rwth-aachen.de www.avt.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Verfahrenstechnik »» Schwerpunkte Transportvorgänge in verfahrentechnischen Apparaten, Suspensionstheologie, Analyse und Simulation von Hochtemperaturprozessen, Biosolare Wasserstoffporduktion, CO2 emissionsarme Kraftwerke »» Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 9 wiss. Mitarbeiter/-innen, 4 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 13 stud. Mitarbeiter/-innen

Im Rahmen des Exzellenz-Clusters - TMFB „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ wird die Umsetzung von Biomasse zur dritten Generation von Bio-Kraftstoffen erforscht. Als wichtiger Schritt für diesen Prozess gilt die Vorbehandlung der Biomasse, durch den eine weitere chemische oder enzymatische Umwandlung ermöglicht wird. Bei der AVT.MVT wird hierzu der mechanische Aufschluss von Holz-Biomasse mittels einer Schneckenpresse untersucht. Durch die thermo-mechanische Beanspruchung des Holzes in der Schneckenpresse soll die Zellstruktur des Holzes aufgebrochen werden, so dass das Lösungsmittel in intensiven Kontakt mit dem Holz treten kann und eine effiziente Depolymerisation ermöglicht wird.

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Ausgewählte laufende Projekte »» Dynamische Modellierung von Drehrohröfen Drehrohröfen werden in der chemischen Industrie und in der Grundstoffindustrie eingesetzt, um Reaktionen mit Feststoffen kontinuierlich bei hohen Temperaturen durchzuführen. Im Betrieb treten häufig Brennstoff-, Lastoder Produktwechsel sowie schwankende Eigenschaften der Einsatzstoffe auf, die zu einem dynamischen Anlagenverhalten führen. Im Bereich von Ofenein- und auslauf sind Messungen zwar eingeschränkt möglich, aber aufgrund der hohen Temperaturen und der schlechten Zugänglichkeit (drehendes Rohr) sind Betriebsmessdaten über den Zustand im Ofeninneren häufig nicht vorhanden. Für einen optimierten Ofenbetrieb und für ein besseres Prozessverständnis sind Informationen über den Zustand im Inneren aber nötig. Da bislang diese Informationen messtechnisch praktisch nicht erfasst werden können, bleibt die Möglichkeit, sie mit Hilfe eines Modells des Prozesses zu berechnen. Bei AVT.MVT wurde ein physikalisch basiertes, dynamisches Ofenmodell entwickelt und anhand von Messdaten einer realen Anlage validiert. Dies ist in der Lage, die nicht messbaren Temperatur- und Konzentrationsverteilungen im Ofeninnenraum zu berechnen. Auch instationäre Betriebszustände, bis hin zu Leerlaufphasen und Wiederinbetriebnahme, können vom Modell sehr gut abgebildet werden. Hier zeigt sich der Vorteil eines physikalisch basierten Modells, da solche extremen Abweichungen vom „Normalbetrieb“ mit anderen Modellansätzen, z.B. Neuronalen Netzen, nur sehr ungenau oder gar nicht beschrieben werden können. »» Röntgentomografische Untersuchung der Fließeigenschaftsursachen teilerstarrter Metalllegierungen Die Simulation und Auslegung von Formfüllprozessen mit teilerstarrten Metalllegierungen (Thixoforming) erfordert eine möglichst genaue Kenntnis des Fließverhaltens des verwendeten Materials. Zu diesem Zweck wurde bisher vorwiegend das makroskopische Verhalten untersucht oder sogenannte Schliffproben analysiert. Problematisch ist, dass die Proben vor der Untersuchung abgekühlt werden müssen und die zu untersuchende Struktur, bei Abkühlraten unter 160°C/s, verändert wird. Da eine solche Abkühlrate für die Probengröße nicht realisierbar ist, soll die innere Struktur direkt im teilerstarrten Zustand beobachtet werden. Abb. 1: Mikrostruktur einer Alu-Kupfer-Legierung nach definierter Scherung

Im weiteren Verlauf des Vorhabens soll ein Rheometer entwickelt werden, das Echtzeitaufnahmen in der Röntgeneinrichtung bei gleichzeitiger, definierter Scherung der teilerstarrten Proben ermöglicht. So soll ein Einblick in die mikroskopischen Strukturänderungen gegeben werden und maßgeblich zum Verständnis und der Beherrschung des Thixoforming-Prozesses beigetragen werden. »» Exzellenz-Cluster - Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse Im Rahmen des Exzellenz-Clusters - TMFB „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ wird die Umsetzung von Biomasse zur dritten Generation von Bio-Kraftstoffen erforscht. Als wichtiger Schritt für diesen Prozess ist die Vorbehandlung der Biomasse zu sehen, durch den eine weitere chemische oder enzymatische Umwandlung ermöglicht wird. Am Lehrstuhl für mechanische Verfahrenstechnik wird der mechanische Aufschluss von Holz-Biomasse mittels einer Schneckenpresse untersucht. Durch die (thermo-)mechanische Beanspruchung des Holzes in der Schneckenpresse soll die Zellstruktur des Holzes aufgebrochen werden, so dass das Lösungsmittel in intensiven Kontakt mit dem Holz treten kann und eine effizient Depolymerisation ermöglicht wird. (Abb. 2). Abb. 2 Vereinfachtes Fließbild für mechanische Vorbehandlung der HolzBiomasse

Die Entwicklung und Optimierung einer Schneckenpresse passend zur Vorbehandlung von Biomasse ist Schwerpunkt der Forschung. Das Ziel ist ein Schneckendesign zu entwickeln, das die Strukturveränderung des Materials durch mechanischen Druck und Scherkraft optimal den folgenden Prozessschritten anpasst. Erste Ergebnisse zeigen die Allgemeine Machbarkeit des Zerkleinerungsprozesses der Holz-Biomasse in der Schneckenpresse, die Bedeutung der Schneckengeometrie für einen bestmöglichen Transport und eine gleichzeitige Entwässrung durch Kompression. In weiteren Schritten werden verschiedene Biomassen getestet und eine gleichzeitige Einbringung von Lösemittel überprüft. Es wird erwartet, dass durch die Kompression ein verbesserter Lösungsprozesses stattfindet. Gleichzeitig werden die Zerkleinerung und der Löseprozess innerhalb eins Prozessschrittes durchgeführt. Abb. 3: Mechanische Vorbehandlung: von Hackschnitzel zum Produkt, Abnahme der H2O-Gehalt um 70 % (oben); Mikroskopisches Bilder (unten)

Durch die Kooperation mit Wissenschaftlern am European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankreich ist es möglich nichtinvasive 3D-Aufnahmen der, die Fließeigenschaften bestimmenden, Feststoffstrukturen zu erstellen. Erste Tests lieferten statische Aufnahmen von Alu-Kupfer-Legierungen (Abb.1) im erstarrten und teilerstarrten Zustand. Es sind die, für die Thixo-Suspension typische, globulitischen Feststoffpartikel mit u.A. für Fließgrenzen verantwortlichen Partikelhälsen zu erkennen. Scherdauer und -rateneinflüsse (Ostwaldreifung, Agglomeration) können beim Vergleich entsprechend vorbehandelter Proben ebenfalls beobachtet werden.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Ginsberg, T.; Liebig, D.; Modigell, Michael; Sundermann, B.: Multizonal thermochemical modelling of heavy metal transfer in incineration plants In: Transactions of the Institution of Chemical Engineers / B, Process safety and environmental protection. -Rugby: Inst. of Chem. EngineersISSN: 0957-5820. -90 (2012) , 1, S./Art.: 38-44, Aufsatz in Fachzeitschrift. [hsb999910134142].

»» Ginsberg, Tobias; Modigell, Michael: Dynamic modelling of a rotary kiln for calcination of titanium dioxide white pigment In: Computers & chemical engineering. -Amsterdam [u.a.]: Elsevier- ISSN: 0098-1354, 0092-1354. -35 (2011) , 11, S./Art.: 2437-2446, Aufsatz in Fachzeitschrift, [hsb999910047330].

»» Brinks, Martin Alexander; Harboe, Siri; Modigell, Michael; Pola, Annalisa: Static, Dynamic and Iso-structural Yield-Stress in Semi Solid Alloys Experiments and Models In: AERC 2011 : 7th Annual European rheology conference ; May, 10-14, 2011, Suzdal ; Russia conference book, book of abstracts (TeKCT] -Moscow:Vinogradov soc. of rheology:Inst.of petrochem.systhesis, Russ.acad. of sciences, 2011, ISBN 978-5-88149-485-8.,S.94-94 InProceeding[hsb999910040311].

»» Gebicki, Jakub; Modigell, Michael; Schumacher, Matthias; van der Burg, Job; Roebroeck, Eugenè: Comparison of two reactor concepts for anoxygenic H2 production by Rhodobacter capsulatus, In: Journal of cleaner production - Amsterdam[u.a.]:ElsevierISSN:0959-6526.-18(2010)1,S./Art.:36-42 Aufsatz in Fachzeitschrift. [hsb999910030207].

»» Beggel, Franz; Nauels, Nicolas; Modigell, Michael: CO2 Separation via the Oxyfuel Process with O2-Transport Membranes in Coal Power Plants In: Process engineering for CCS power plants / ed. by Detlef Scholten and V. Scherer., Weinheim:Wiley-VCH, 2011.-ISBN:978-3-527-33002-7.,S./Art. 405-430 InBuch - Druck[hsb999910047328]. Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 954.000 €

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Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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

offiice@fsd.rwth-aachen.de www.fsd.rwth-aachen.de

»» Identifikation flugmechanischer Kenngrößen durch Experimente mit Originalflugzeugen und skalierten Modellen im Windkanal und Freiflug »» Optimierung von Flugeigenschaften und Flugleistungen

»» Studienrichtungen Luft- und Raumfahrttechnik »» Schwerpunkte Flugmechanik, Flugregelung, Flugführung, Raumflugmechanik, Unbemannte Luftfahrzeuge, Autonomie »» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 6 wiss. Mitarbeiter/-innen, 6 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 18 stud. Mitarbeiter/-innen

»» 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.

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Ausgewählte laufende Projekte »» 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

Zielsetzung

»» 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

»» 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 »» internes Forschungsvorhaben Abb. 1

Auftraggeber »» Durch den Förderwettbewerb Hightech.NRW 2 von NRW und EU ausgewähltes und finanziertes Kooperationsprojekt mit insgesamt 10 Partnern aus Forschungseinrichtungen und KMU.

Abb. 2

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Holsten, Johanna; Ostermann, Tobias; Moormann, Dieter: Design and Windtunnel Tests of a Tiltwing UAV In: CEAS Aeronautical Journal Band 1 2011, ISSN: 1869-5582, Journal no. 13272; peer-reviewed; Druck, Online.

»» Gäb, Andreas; Santel, Christoph: Numerical Simulations of Glider Winch Launches In:Technical soaring. - Hobbs, NM : Soaring Society of America. - ISSN: 0744-8996. - 35 (2011) 3, S./Art.: 78-84.

»» Ostermann, Tobias; Holsten, Johanna; Moormann, Dieter: Modellierung von Transitionsmanövern für ein Tiltwing UAV In: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2011, Bremen, Deutschland, 27. - 29. September 2011; Tagungsband - Ausgewählte Manuskripte Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V. (DGLR) 2011; InProceedings; Druck, Datentraeger.

»» Ostermann, Tobias; Holsten, Johanna; Moormann, Dieter: AVIGLE - Transition Control of an Autonomous Tiltwing UAV In: AHS International, 3rd International Specialists‘ Meeting on Vertical Lift Aircraft Research, Development, Test & Evaluation, Patuxent River, Maryland, USA, 31. August - 01. September 2011; InProceedings; Datentraeger.

»» J. Holsten, T. Ostermann, D. Moormann: Using Behavior Based Algorithms for Missions of Multiple UAVs Providing Pictures for a Three-Dimensional Visualization, CEAS Air&Space Conference, Italien, Oktober 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 296.000 €

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Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen Forschungsschwerpunkt Forschung und daraus abgeleitete Lehre auf allen Gebieten der Fluidtechnik in einem der größten Institute weltweit auf diesem Gebiet.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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 post@ifas.rwth-aachen.de 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.

»» Studienrichtungen Konstruktion und Entwicklung, Antriebstechnik, Produktionstechnik, Verkehrstechnik, Kunststofftechnik »» Schwerpunkte Forschung und Lehre auf allen Gebieten der Fluidtechnik (Hydraulik und Pneumatik) »» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 25 wiss. Mitarbeiter/-innen, 21 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 100 stud. Mitarbeiter/-innen

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. Diese und viele weitere z.T. aufbauende Veranstaltungen, bei denen auch Dozenten aus der Industrie eingebunden sind, werden als Wahlveranstaltungen in fast allen Studienrichtungen des Hauptstudiums angeboten. Interne und externe fluidtechnische Kolloquien sowie das zweijährig stattfindende „Internationale Fluidtechnische Kolloquium“ (IFK) runden das Aus- und Weiterbildungsangebot ab.

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Ausgewählte laufende Projekte »» SEB Schnellladesysteme für Elektrobusse im ÖPNV Soll bei Elektrobussen auf die klassischen Fahrleitungen verzichtet und trotzdem die im ÖPNV üblichen Einsatzzeiten und Entfernungen erreicht werden, müssen die Energiespeicher in den Fahrzeugen in sehr kurzer Zeit nachgeladen werden. Andernfalls werden diese zu groß, zu schwer und zu teuer. Konzepte für rein elektrisch angetriebene Linienbusse ohne Fahrleitung werden daher im Rahmen des Verbundprojektes „Schnellladesysteme für Elektrobusse im ÖPNV (SEB)“ untersucht, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderbekanntmachung „Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität (STROM)“ mit insgesamt 4,6 Mio. € gefördert wird. In dem auf drei Jahre angelegten Vorhaben sollen bis 2015 gemeinsam mit einer Reihe industrieller Partner für den elektrischen Liniendienst entscheidende Komponenten in Form von elektrischen Energiespeichern, Energieübertragungssystemen sowie angepassten Antriebskomponenten entwickelt werden. Grundlage des elektrischen Betriebs ist die schnelle Nachladung der Energiespeicher in den Fahrzeugen mit hohen elektrischen Leistungen an ausgesuchten Haltestellen.

Die einzelnen Nachladungen sollen automatisiert erfolgen. Zudem müssen Temperaturschwankungen einzelner elektrischer Komponenten – z. B. bei der Nachladung – ebenfalls kontrolliert werden. Am Ende des Vorhabens werden die zu entwickelnden Technologien gemeinsam mit den Stadtwerken Münster im Liniendienst erprobt werden. Hierzu wird jeweils ein Standardbus mit den für den elektrischen Fahrbetrieb notwendigen Komponenten ausgerüstet und die notwendige Ladeinfrastruktur entlang der geplanten Buslinien installiert. Von Seiten der RWTH Aachen sind das Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und das Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) beteiligt.

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»» Entwicklung eines Zeitraffertests für Hydraulikventile zur Ermittlung von Zuverlässigkeitswerten Hydraulische Ventile sind essentielle Komponenten sicherheitsrelevanter, hydraulischer Steuerungen. Im Rahmen der harmonisierten Norm DIN EN ISO 13849-1 sind die Hersteller der Ventile verpflichtet, Angaben zur Lebensdauer (MTTFd) zu machen. Darüber hinaus ist die Kenntnis der Verschleißvorgänge notwendig, um bestehende Konstruktionen zu optimieren. Im Rahmen eines durch den Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA geförderten Projekts wurde ein Prüfstand konstruiert und in Betrieb genommen, auf dem sowohl Schieber- als auch Sitzventile hinsichtlich ihres Verschleißverhaltens untersucht werden können.

Die bisherigen Versuche verdeutlichen erwartungsmäß, dass der Verschleiß einer Steuerkante von der Versuchsdauer, dem anliegenden Differenzdruck sowie deren geometrischer Ausprägung abhängig ist. Aus den vorhandenen Daten konnte ein Modell zur verschleißbedingten Veränderung des Ventilwiderstands abgeleitet werden. Dieses wird in kommenden Arbeitspaketen weiterentwickelt, um auch den Einfluss weiterer Ventileigenschaften zu erfassen sowie die Extrapolation auf reale Einsatzbedingungen zur ermöglichen.

Der Zeitraffereffekt des Verschleißes wird durch eine gezielte Zugabe von Teststaub (ISO-MTD A3) erreicht. Dabei wird die gewünschte Kontamination durch gezielte Filtration und Zugabe neuer Partikel zu Beginn des Tests eingestellt und über die gesamte Versuchszeit durch eine Partikelregelung aufrecht erhalten. Abb. 1: zeigt den Verschleißfortschritt am Ventilstößel und -Sitz eines hydraulischen Sitzventils

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Reinertz, Olivier; Murrenhoff, Hubertus: Harmonic Hose Drive. Ein neuartiges Konzept für einen HochmomentAntrieb In: O + P : Zeitschrift für Fluidtechnik. -Mainz: Vereinigte Fachverl. -Zss.: Nebent.: Ölhydraulik und Pneumatik.- ISSN: 0341-2660, 1614-9602. -55 (2011) 3, S./Art.: 56-61.

»» Gels, Stefan; Piepenstock, Ulf; Walden, Roland; Murrenhoff, Hubertus: Herstellung konturierter Kolben und Buchsen für Axialkolbenmaschinen. Vermeidung von Messing in Axialkolbenmaschinen In: O + P : Zeitschrift für Fluidtechnik. -Mainz: Vereinigte Fachverl.- ISSN: 0341-2660, 1614-9602. -55 (2011) 1/2, S./Art.: 15-21.

»» Kim, Sunghun; Piepenstock, Ulf; Murrenhoff, Hubertus: Effects of manufacturing deviation on the pressure pulsation screw pumps In: International Journal of Fluid Power. -Hamburg: TuTech- ISSN: 14399776. -12 (2011) 1, S./Art.: 41-50.

»» Riedel, Christian; Siebert, Christoph; von Grabe, Christian ; Stammen, Christian; Murrenhoff, Hubertus: Optimierung der Systemsimulation durch Massenströme. Gesteigerte Genauigkeit durch Berücksichtigung des Druck- und Temperatureinflusses auf das Hydraulikmedium In: O + P : Zeitschrift für Fluidtechnik. -Mainz: Vereinigte Fachverl. -Nebent.: Ölhydraulik und Pneumatik.- ISSN: 0341-2660, 1614-9602. -55 (2011) 5, S./Art.: 202-207.

»» Schmitz, Johannes; Vatheuer, Nils; Murrenhoff, Hubertus: Hydrostatic drive train in Wind Energy Plants, In: EWEA 2011 Brussels Europe´s Premier Wind Energy Event Scientific Proceedings European Wind Energy Conference & Exhibition 14 - 17 March 2011, Brussels - Belgium.: EWEA, 2011., S./Art.: 20-23.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 2.376.000 €

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Lehrstuhl für Gebäudeund Raumklimatechnik Energy Research Center Forschungsschwerpunkt 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

Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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 post_ebc@eonerc.rwth-aachen.de www.eonerc.rwth-aachen.de/ebc

»» Studienrichtungen 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, 30 wiss. Mitarbeiter/-innen, 9 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 27 stud. 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.

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Ausgewählte laufende Projekte »» 2DSM Dual Demand Side Management 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. Abb. 1: Modellstadt Bottrop

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: Untersuchungsgebiet des 2DSM Projektes im Pilotgebiet der Modellstadt 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.

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»» 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 (Abb.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.

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 (Abb. 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

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» C. Molitor, F. Ponci, A. Monti, D. Calì, D. Müller: „Consumer benefits of electricity-price-driven heat pump operation in future smart grids” 2011 IEEE Conference on Smart Measurements for Future Grids.

»» B. Flieger, R. Streblow, D. Müller, A. Jachens: „Thermisches Pkw-Innenraum-Modell” ATZ November 2011.

»» K. Huchtemann, D. Müller: „Evaluation of Field Study Data on Domestic Heat Pump Systems“ E.ON Energy Research Center Series Volume 3, Issue 2. ISSN: 1868-7415, 2011.

»» D. Calì, T. Osterhage, D. Müller: “Rebound effect related to retrofit solutions for residential housing – monitoring data from a field test” World Sustainable Building Conference, Helsinki, Finland, Oktober 2011.

»» M. Adolph, N. Kopmann, D. Müller, B. Böwer, J. Linden: „Adaptive Control Strategies for Single Room Heating” CISBAT 2011 Conference, Lausanne, Switzerland, ISBN: 978-2-8399-0906-8, Sept. 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 2.292.000 €

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Lehr- und Forschungsgebiet Laser-Messverfahren in der Thermofluiddynamik Forschungsschwerpunkt 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

sekretariat@ltfd.rwth-aachen.de www.ltfd.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Verfahrenstechnik, Energietechnik »» Schwerpunkte Entwicklung und Anwendung neuer laseroptischer Messverfahren in technischen Strömungs- und Verbrennungsvorgängen »» Personal 0 Professor, 0 Obering./-innen, 3 wiss. Mitarbeiter/-innen, 2 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 9 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» 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. Abb. 2: Eigenleuchten

Abb. 1: CAI-Brennverlauf

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Edouard Berrocal, Elias Kristensson, Peter Hottenbach, Gerd Grünefeld, Marcus Aldén: „Quantitative laser imaging of a non-reacting diesel spray using SLIPI“, ILASS Americas, 23rd Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (2011), Ventura, CA.

»» Peter Hottenbach, Thorsten Brands, Gerd Grünefeld: „An Experimental Investigation on the Evaporation Characteristics of a Two-Component Fuel in Diesel-Like Sprays“, SAE Technical Papers, SAE World Congress 2011, Detroit, 2011-01-0688.

»» Peter Hottenbach, Thorsten Brands, Gerd Grünefeld: „An Experimental Investigation on the Evaporation Characteristics of a Two-Component Fuel in Diesel-Like Sprays“, SAE International Journal of Engines, vol. 4 no. 1, Seiten 800-812.

»» Peter Hottenbach, Thorsten Brands, Thomas Hülser, Gerd Grünefeld, Andreas Janssen, Christoph Menne, Stefan Pischinger: „An Experimental Investigation on the Mixture Formation in Diesel-Like Sprays Emanating from Parallel and Divergent Cluster Nozzles by Using Spontaneous Raman Scattering“, 2011 JSAE/SAE International - Powertrains, Fuels and Lubricants Meeting, Kyoto.

»» Peter Hottenbach, Thorsten Brands, Thomas Hülser, Gerd Grünefeld: „An Experimental Investigation on the Evaporation Characteristics of Alkane-Alcohol Mixtures in Diesel-Like Sprays Under High-Pressure and High-Temperature Conditions by Spontaneous Raman Scattering“, 2011 JSAE/SAE International - Powertrains, Fuels and Lubricants Meeting, Kyoto.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 74.000 €

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Aachener Verfahrenstechnik Thermische Verfahrenstechnik Forschungsschwerpunkte N. N. AVT.TVT - Aachener Verfahrenstechnik Thermische Verfahrenstechnik Wüllnerstraße 5 52062 Aachen Tel.: +49 241/80-95490 Fax: +49 241/80-92332 secretary.tvt@avt.rwth-aachen.de www.avt.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Verfahrenstechnik, Umweltingenieurwesen »» Schwerpunkte Thermische Trennverfahren, insbesondere Extraktion, Destillation, und Flüssig-Flüssig-Trennung sowie Untersuchungen zu Stofftransport, auch über Phasengrenzen, Entwicklung thermodynamischer Modelle, Molekulare Simulationen »» Personal 0 Professor, 0 Obering./-innen, 10 wiss. Mitarbeiter/-innen, 4 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 28 stud. Mitarbeiter/-innen

Am AVT - Thermische Verfahrenstechnik beschäftigen wir uns mit Forschung und Entwicklung zu thermischen Trennverfahren und den Grundlagen ihrer Beschreibung. Die Arbeitsschwerpunkte sind entsprechend den folgenden Bereichen zuzuordnen: 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 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.

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Ausgewählte laufende Projekte »» Auslegung von Extraktionsprozessen - Vom Tropfen zur Kolonne

»» Exzellenzcluster Tailor-Made Fuels from Biomass

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. 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. 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.

Das Ziel des Exzellenzclusters „Tailor-Made Fuels from Biomass (TMFB)“ ist die Herstellung von maßgeschneiderten Kraftstoffen aus Biomasse. Die Herausforderungen liegen zum Beispiel in einer erhöhten Viskosität der flüssigen Phasen wegen der Verwendung neuartiger Lösungsmittel wie etwa von ionischen Flüssigkeiten (ILs) und einer erhöhten Belastung durch biomassebasierte Feststoffe als Verunreinigungen. Die Gruppe TMFB am AVT-TVT beschäftigt sich zum einen aufgrund des hohen Preises mit der Aufreinigung von ILs, zum anderen mit der wirtschaftlichen Trennung der Zweiphasensysteme mit den Verunreinigungen im TMFB-Prozess. Dafür wurde ein Atomic Force Microscope (AFM) verwendet (siehe Abb. 2). Außerdem sollen zuverlässige Vorhersagemethoden für die stark wechselwirkenden funktionellen Gruppen durch Abgleich zwischen molekularen Simulationen und Experimenten entwickelt werden. Abb. 2: Atomic Force Microscope (AFM)

Abb. 1: Ausschnitt einer Exraktionskolonne im Betrieb

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Rob Bronneberg, Andreas Pfennig: Improvement of the UNIQUAC combinatorial-entropy term by adjusting the standard segment. Journal of Chemical and Engineering Data, 2011, 56, 1305-1310.

»» Murat Kalem, Florian Buchbender, Andreas Pfennig: Simulation of hydrodynamics in RDC extraction columns using the simulation tool “ReDrop”. Chemical Engineering Research and Design, 2011, 89(1), 1-9.

»» Donni Adinata, José M. Ayesterán, Florian Buchbender, Murat Kalem, Nicole Kopriwa, Andreas Pfennig: Tropfenpopulationsbilanzen zur Auslegung von Extraktionskolonnen. Chemie Ingenieur Technik, 2011, 83(7), 1-14.

»» Andreas Pfennig, Donni Adinata and Jan Kröckel: Solvent extraction of systems with high viscosity, In: Fernando Valenzuela L., Bruce A. Moyer (Eds.): Proceedings of the 19th International Solvent Extraction Conference (3-7 October, 2011, Chile) [Konferenzpublikation].

»» Dirk Delinski, Jan Bernd Bol, Andreas Pfennig: Plant-material extraction in a standardised laboratory apparatus using optimal experimental design. In: Fernando Valenzuela L., Bruce A. Moyer (Eds.): 19th International Solvent Extraction Conference [Konferenzpublikation]

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 697.000 €

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Lehr- und Forschungsgebiet Hochtemperatur-Gasdynamik StoSSwellenlabor

Forschungsschwerpunkte 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:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert Olivier SWL - Lehr- und Forschungsgebiet Hochtemperatur-Gasdynamik Stoßwellenlabor Schurzelterstraße 35 52074 Aachen Tel.: +49 241/80-24606 Fax: +49 241/80-22175 sekretariat@swl.rwth-aachen.de 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

»» Studienrichtungen Luft- und Raumfahrttechnik

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 2 Professoren, 1 Obering./-innen, 9 wiss. Mitarbeiter/-innen, 5 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 5 stud. Mitarbeiter/-innen

Auslandskontakte bestehen zur »» 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

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Ausgewählte laufende Projekte »» 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.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Grzona A, Olivier H (2011): Shock train generated turbulence inside a nozzle with a small opening angle. Experiments in Fluids, Vol. 51: 621-639.

»» Heufer KA, Olivier H (2010): Determination of ignition delay times of different hydro-carbons in a new high pressure shock tube. Shock Waves 20 (4): 307-316.

»» Weiss A, Grzona A, Olivier H (2010): Behavior of shock trains in a diverging duct. Experiments in Fluids, Vol. 49 (2): 355-366.

»» Heufer KA, Fernandes RX, Olivier H, Beeckmann J, Röhls O, Peters N (2010): Shock tube investigations of ignition delays of n-butanol at elevated pressures between 770 K and 1250 K. 33rd Int. Symposium on Combustion, Beijing, August 2010. In: Dagaut P (ed.) Proc. of the Combustion Institute 33 (1), Elsevier, 359366.

»» Klioutchnikov I, Olivier H (2010): A numerical study of pressure/shock waves interactions in transonic airfoil flow using optimized WENO schemes. 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting, Orlando, USA, January 2010, AIAA 2010-924.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 977.000 €

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Physico-Chemical Fundamentals of Combustion Research Focus Juniorprof. Dr.-rer. nat. Ravi Xavier Fernandes SWL - Lehr- und Forschungsgebiet Hochtemperatur-Gasdynamik, Stoßwellenlabor PCFC - Physico-Chemical Fundamentals of Combustion Schurzelterstraße 35 52074 Aachen Tel.: +49 241/80-26409 Fax: +49 241/80-22175 fernandes@swl.rwth-aachen.de www.pcfc.rwth-aachen.de

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.

»» 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, 4 scientific staff, 0 non-scientific staff, 7 stud. staff

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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)

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Publications »» Zádor, J., Taatjes, C.A. and Fernandes, R.X.: Kinetics of Elementary Reactions in Autoignition Chemistry. Progress in Energy and Combustion Science, 2011, 37, 371-421. »» A. Brassat, M. Thewes, M. Müther, S. Pischinger, C. Lee, R. X. Fernandes, H. Olivier, Y. Uygun: Analysis of the Effects of Certain Alcohol and Furan-Based Biofuels on Controlled Auto Ignition, SAE Paper 2012-01-1135. »» Lee, C., Heufer KA., Vranckx, S., Medvedev, S., Khomik, S., Ugyun, Y., Olivier, H, Fernandes, R. X.: On the Chemical Kinetics of Ethanol- Rapid Compression Machine, Shock tube and Kinetic modeling study. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 226, 1, 2012.

»» Sarathy, S., Vranckx, S., Yasunaga, K., Mehl, M., Oßwald, P., Westbrook, C.K., Pitz, W.J., Kohse-Hoinghaus, K., Fernandes, R. X. and Curran, H.J.: Comprehensively Modeling of Low-and High-Temperature Combustion Chemistry of the Four Butanol Isomers. Combustion and Flame, doi: 10.1016/j.combustflame.2011.12.017, 2012.

»» Welz, O., Zádor, J., Savee, J.D., Ng. M.Y., Meloni G., Fernandes, R.X., Sheps, L., Simmons, B.A., Osborn, D.L. and Taatjes, C.A.: Low-Temperature Combustion Chemistry of Biofuels: Pathways in the Initial Low-Temperature (550 K-750 K) Oxidation Chemistry of Isopentanol. Physical Chemistry Chemical Physics, 14, 3112, 2012.

Third-party Funds 2011

Third-Party Funds expenditure: 205.000 €

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Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Forschungsschwerpunkt 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

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger

VKA - Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Schinkelstr. 8 52062 Aachen Tel.: +49 241/80-96200 Fax: +49 241/80-92630 office@vka.rwth-aachen.de www.vka.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Energietechnik, Verkehrstechnik, Allgemeiner Maschinenbau »» Schwerpunkte Verbrennungsmotoren, Fahrzeugtechnik, Hybrid-Antriebsstränge »» Personal 1 Professor, 4 Obering./-innen, 65 wiss. Mitarbeiter/-innen, 80 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 85 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» Exzellenzcluster Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse

»» Ladungswechselvariabilitäten beim PKW-Dieselmotor

Für den Einsatz in mobilen Anwendungen eröffnen aus Biomasse gewonnene Kraftstoffe ein erhebliches Potenzial, neben einer Reduktion der klimawirksamen Kohlendioxid-Emissionen auch die motorischen SchadstoffEmissionen deutlich zu verringern, sowie den Verbrennungswirkungsgrad zu steigern. Wissenschaftler im Exzellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse (Tailor-Made Fuels from Biomass / TMFB)“ erforschen die Herstellung sowie die motorische Verbrennung neuartiger Biokraftstoffe. Bei der Entwicklung neuartiger Kraftstoffe ist eine genaue Analyse des Kraftstoffverhaltens bei der eigentlichen Verbrennung unabdingbar. Um einen genauen Einblick in die Vorgänge während der motorischen Verbrennung zu erlangen, werden am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen optisch zugängliche Motoren eingesetzt, die eine Beobachtung der Verbrennung ermöglichen. In Kombination mit High-Speed Kameras sowie angepasster, selbst entwickelter Messtechnik kann so beispielsweise die Selbstzündung oder auch die Rußbildung im Motor visualisiert werden. In Abbildung 1 ist eine solche optische Analyse der dieselmotorischen Verbrennung gezeigt. Dargestellt ist ein Vergleich zwischen n-Dekan, dem sauerstoffhaltigen Dekanol sowie einem im Exzellenzcluster TMFB entwickelten Kraftstoffs, der aus einer Mischung aus Butyllevulinat und nTetradekan besteht. Die Aufnahmen belegen, dass die für den Dieselmotor charakteristische Rußbildung (linkes Bild) durch den Einsatz von Dekanol und den darin enthaltenen Sauerstoff bereits reduziert werden und beim Einsatz des optimierten TMFB-Kraftstoffes nahezu eliminiert werden kann. Mit der Anwendung dieser und ähnlicher, moderner Messmethoden wird es den Forschern am VKA möglich, bisher unbekannte Verbrennungsphänomene zu entdecken und zu erklären.

Immer strenger werdende Vorschriften zur Emissionsbegrenzung von Diesel-PKW erfordern neue Maßnahmen und Techniken, um den Schadstoffausstoß zu reduzieren. In dem Forschungsvorhaben „Potenziale von Ladungswechselvariabilitäten beim PKW-Dieselmotor“ wird das Ziel verfolgt mittels Ventiltriebsvariabilitäten Strategien für ein Abgastemperaturmanagement für die Kaltstart- bzw. Warmlaufphase und den Regenerationsbetrieb des Motors zu entwickeln. Die Untersuchungen erfolgten zunächst mittels 1D-Ladungswechselsimulationen, daran anschließend wurden weitere Untersuchungen an einem Forschungseinzylinder und Vollmotor durchgeführt. Das Potential wird anhand von vier verschiedenen Betriebspunkten evaluiert, wovon sich drei Betriebspunkte innerhalb des für den Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) relevanten Kennfeldbereiches befinden. Durch eine negativeVentilüberschneidung bleibt ein Restgasanteil im Zylinder. Dieser wird durch ein spätes Einlass Öffnet im Zylinder rekomprimiert und expandiert. Der Restgasanteil bewirkt im kleinen Teillastbetrieb eine HC/CO Reduktion um bis zu 60 %, bei gleichzeitiger Anhebung der Abgastemperatur und sehr geringen Verbrauchsnachteilen. Auch für beispielsweise eine DPF- Regeneration konnten deutliche Potentiale zur Temperaturanhebung bei gleichzeitig geringem NOx Niveau gezeigt werden. Eine Drallsteuerung ist mittels variabler Einlass-Ventilsteuerzeit möglich. Abb. 2: Einfluss unterschiedlichenr Ventiltriebsvariabilitäten auf die Abgastemperatur, HC- u. CO-Emissionen, den Wirkungsgrad und die Geräuschentwicklung beim PKW-Dieselmotor im niedrigen Teillastbetrieb

Abb. 1: Optische Analyse der dieselmotorischen Verbrennung unterschiedlicher alternativer Kraftstoffe

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»» Schmierölverdünnung durch Biokraftstoffe bei direkteinspritzenden Ottomotoren Im Rahmen des Projektes „Schmierölverdünnung mit Ethanolkraftstoffen unter Kaltstartrandbedingungen“ wurde der Einfluss des Ethanolanteils von Kraftstoffen auf die Schmierölverdünnung moderner direkteinspritzender Ottomotoren untersucht. Die Kraftstoffeigenschaften von Ethanolmischkraftstoffen erschweren ihren Einsatz unter kalten Bedingungen und besonders im Motorkaltstart. Dies führt zu einer erschwerten Gemischaufbereitung und machen den Einsatz erhöhter Kraftstoffmengen notwendig, was zu einer erhöhten Schmierölverdünnung führen kann. Zur Messung des Kraftstoffanteils im Öl wird ein neues online-fähiges Messverfahren eingeführt, das mit konventionellen Methoden verglichen wird. Eine Bewertung der Qualität der Gemischbildung findet mithilfe der CFD-Simulation statt.

Die Ergebnisse des Projektes zeigen, dass der Haupteinfluss der Schmierölverdünnung nicht im Motorstart sondern im Betrieb unter kalten Bedingungen zu suchen ist. Eine a-priori Bewertung der Schmierölverdünnung aufgrund von Simulationsergebnissen ist in Zukunft auf Basis der Analyse der Zylinderrohrfilmmasse möglich und das neue ÖlverdünnungsMessverfahren kann als Entwicklungstool eingesetzt werden. Mithilfe des neuen Ölverdünnungsmessverfahrens und der CFD-Simulation wurden Einspritzstrategien entwickelt, die die Schmierölverdünnung im Vergleich zu konventionellen Motorkalibrierungen besonders bei Kraftstoffen mit hohem Ethanolanteil reduzieren.

Abb. 3: Verteilung des relativen Luft- / Kraftstoffverhältnisses im Brennraum zum Zündzeitpunkt für ROZ 95 und E85

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Thewes, M., Müther, M., Pischinger, S., Budde, M., Brunn, A., Sehr, A., Adomeit, P., Klankermayer, J.: Analysis of the Impact of 2-Methylfuran on Mixture Formation and Combustion in a Direct-Injection Spark-Ignition Engine. Energy Fuels 2011, 25, 5549.

»» Awarke, A.; Lauer, S.; Wittler, M.; Pischinger, S.: Quantifying the effects of strains on the conductivity and porosity of LiFePO4 based Li-ion composite cathodes using a multi-scale approach. Computational Materials Science, Elsevier (2011), S. 871-879.

»» Janssen, A., Kremer, F. W., Baron, J. H., Müther, M., Pischinger, S., Klankermayer, J.: Tailor-Made Fuels from Biomass for Homogeneous Low Temperature Diesel Combustion. Energy Fuels 2011, 25, 4734.

»» Jakob, M.; Adomeit, P.;Kolbeck, A.; Pischinger, S.: Glow-plug ignition of ethanol fuels under diesel engine relevant thermodynamic conditions; SAE-Paper 2011-01-1391, SAE 2011 World Congress & Exhibition, 2011, 12.-14.04.2011, Detroit.

»» Thewes, M., Müther, M., Brassat, A., Pischinger, S.: Analysis of the Effect of Bio-Fuels on the Combustion in a Downsized DI SI Engine. JSAE/SAE Powertrain Fuels & Lubricants Meeting, Kyoto, Japan, JSAE 20119169, SAE 2011-01-1991, 30.08.-02.09.2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 8.351.000 €

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Institut für Technische Verbrennung Forschungsschwerpunkte 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 regelungs-technische 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. »» 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.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Heinz Pitsch ITV - Institut für Technische Verbrennung Templergraben 64 52056 Aachen Tel.: +49 241/80-94607 Fax: +49 241/80-92923 office@itv.rwth-aachen.de www.itv.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Energietechnik, Computational Engineering Science (CES) »» Schwerpunkte Forschung und Lehre in den Gebieten der Verbrennung, Thermodynamik, turbulenten Strömungen, Mechanik »» Personal 2 Professoren, 1 Obering./-innen, 21 wiss. Mitarbeiter/-innen, 10 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 27 stud. Mitarbeiter/-innen

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»»

»» Visualisierung von Rußintermittenz durch Laser Induced Incandescence (LII)

Simulation und Modellierung von Metallfaser-Brennern

Metallfaser-Brenner (MFB) werden häufig zu Heizzwecken verwendet und kommen auch bei Trocknungsprozessen zum Einsatz. Die Anwendungsbreite reicht dabei vom Einsatz in relativ kleinen Gasheizungen bis hin zu großen Infrarotbrennern, die in der Papier-, Nahrungs- und Schiffsindustrie eingesetzt werden. Den wesentlichen Bestandteil des Brenners stellt der Flammenhalter dar, der aus Metallfasern gewoben ist. Der Verbrennungsprozess kann als perfekt vorgemischt betrachtet werden: der gasförmige Brennstoff wird weit stromauf vom Flammenhalter mit Luft vermischt, strömt dann durch das Metallfasergeflecht und verbrennt schließlich kurz dahinter in Form von laminaren Flammen. Wie in vielen anderen Bereichen des Industriedesigns erhält die Simulation reaktiver Strömungen immer mehr Einzug in die Entwicklung von MFB und nachgeschalteten Komponenten wie z.B. Wärmeübertragern. Die verfügbaren Rechenressourcen sind in der Industrie allerdings häufig zu gering um die chemischen Prozesse detailliert zu beschreiben. Um die Simulation von MFB in der Industrie realisieren zu können müssen daher Verbrennungs- und Abgasmodelle entwickelt werden, die zuverlässige Prognosen mit angemessenem Rechenaufwand erlauben.

Dieses Projekt hat das Hauptziel, die Niedertemperaturzündung gängiger und neuer Kraftstoffe detailliert zu untersuchen und zu beschreiben. Besonders die erste Stufe bei Mehrstufenzündvorgängen ist für neue Brennverfahren in Motoren von besonderer Bedeutung. Bisherige Untersuchungen beschränkten sich aber auf Untersuchungen des gesamten Zündvorgangs. Um die Zündung bei niedrigen Temperaturen, hier insbesondere die erste Stufe, zu beobachten, wurde ein laminarer Strömungsreaktor entwickelt. Dieser Reaktor ermöglicht es, ausschließlich die erste Zündstufe experimentell zu untersuchen, da durch den konstruktionsbedingten hohen Wärmeübergang chemische Reaktionen nach der ersten Stufe eingefroren werden. N-Heptan (n-C7H16), Dimethylether (DME) und Mischungen beider Kraftstoffe wurden im Strömungsreaktor untersucht. Der gesamte Reaktor arbeitet unter isothermen Bedingungen. Der Temperaturanstieg durch die erste Zündstufe und die chemischen Produkte aus dieser Stufe wurden experimentell gemessen. Exemplarisch ist der Einfluss der Zumischung von DME auf die Zündverzugszeit der ersten Zündstufe einer mageren, mit Stickstoff verdünnten Mischung dargestellt (Abb. 1). Zur Gewinnung theoretischer Modelle, die in der Lage sind, die beobachteten physikalischchemischen Prozesse zu beschreiben, wurden sowohl detaillierte numerische Simulationen des laminaren Strömungsreaktors durchgeführt wie auch analytische mathematische Modelle entwickelt. Der Einfluss durch die DME Zumischung kann dabei sehr gut wiedergegeben werden (Abb. 2).

In diesem Projekt werden dazu hochaufgelöste Simulationen mit detaillierter Reaktionskinetik durchgeführt um anhand der Ergebnisse problemspezifische, wichtige Prozesse zu identifizieren und anschließend zu modellieren. Das in diesem Projekt zu entwickelnde Verbrennungsmodell basiert auf dem sogenannten Flamelet Progress Variable Approach (FPVA) und wird in den kommenden Projektphasen weiterentwickelt, so dass die Simulationsergebnisse den Anforderungen genügen. Rechenzeiten können damit um mehr als eine Größenordnung verkürzt werden. Besonderes Augenmerk in der Modellierung gilt dabei der Flammenstabilisierung und der Bildung von Schadstoffen, im Besonderen von Stickoxiden und Kohlenmonoxid. In der Abbildung ist ein Vergleich zwischen detaillierter Simulation und Modell dargestellt. Das Modell zeigt zwar ein Abheben der Flamme, die qualitative Übereinstimmung ist aber sehr gut.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Luo, K., Pitsch, H., Pai, M. G., Desjardins, O.: Direct numerical simulations and analysis of three-dimensional n-heptane spray flames in a model swirl combustor. Proc. Comb. Inst., 33, pp. 2143-2152, 2011.

»» Schäfer, P., Gampert, M., Göbbert, J. H., Gauding, M., Peters, N.: Asymptotic analysis of homogeneous isotropic decaying turbulence with unknown initial conditions. Journal of Turbulence, 12 (30), pp. 1-20, 2011.

»» Mueller, M. E., Pitsch, H.: Large eddy simulation subfilter modeling of soot-turbulence interactions. Phys. Fluids, 23 (11), pp. 1070-6631, 2011.

»» Aye M. M., Beeckmann, J., Vanegas, A., Peters, N., Pitsch, H.: Experimental investigation of Diesel and surrogate fuels: spray and ignition behavior. SAE International 2011-01-1921, 2011.

»» Jochim, B., Felsch, C., Drews, P., Vanegas, A., Hoffmann, K., Abel, D., Peters, N., Pitsch, H.: A multi-zone combustion model with detailed chemistry including cycle-tocycle dynamics for diesel engine control design. Proc. of the Inst. of Mech. Eng., Part D - Journal of Automobile Engineering, 225 (D9, SI), pp. 1235-1252, 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 1.541.000 €

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Lehrstuhl für Solartechnik Institut für Solarforschung Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Pitz-Paal Lehrstuhl für Solartechnik DLR - Institut für Solarforschung Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)

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.

Linder Höhe 51147 Köln

Studierende der RWTH haben die Möglichkeit ihre Studien-, Diplom- und Doktorarbeiten am DLR Institut für Solarforschung zu erstellen.

Tel.: +49 2203/601-2744 Fax: +49 2203/601-4141

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.

solarforschung@dlr.de www. dlr.de/sf

»» Studienrichtungen 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 1 Professor, 5 Obering./-innen, 45 wiss. Mitarbeiter/-innen, 35 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 25 stud. Mitarbeiter/-innen

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.

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Ausgewählte laufende Projekte »» Solare Turmkraftwerke Bei Solaren Turmkraftwerken wird das Sonnenlicht über nachgeführte Spiegelsysteme, sogenannte Heliostate, konzentriert. Das Heliostatfeld hat mit seiner großen Anzahl von Heliostaten und Einzelkomponenten einen Anteil von etwa 40% an den Gesamtkosten eines Solaren Turmkraftwerks. Daher sind Kostensenkungsmaßnahmen an den einzelnen Heliostaten und ihren Komponenten besonders gut geeignet, die Gesamtkosten der Anlage zu senken. Ein signifikant hoher Anteil der Kosten bei der Errichtung von Heliostatfeldern entfällt auf die Verlegung von Kabeln zur Kommunikation und zur Energieversorgung. Deshalb wird angestrebt, auf diese Kabel zu verzichten. Abb. 1: Autonomer Heliostat mit PV-Modul

Ergänzend wird vom DLR ein automatisches Kalibrier- und Betriebsüberwachungsverfahren entwickelt und am Solarturm Jülich getestet. Bei diesem Verfahren werden in bestimmten Abständen, während der Errichtung des Feldes und im Betrieb, einzelne Heliostate angewiesen, auf einen speziellen Bereich neben dem Receiver zu zielen. Dieses spezielle Target wird per Kamera aufgenommen und Lage und ggf. Form des Brennflecks werden analysiert. Einerseits können so Spiegelfehlstellungen aufgrund langsamer Effekte wie Fundamentbewegungen und Fertigungsungenauigkeiten kompensiert werden. Andererseits sollte es damit möglich sein, eine Beschädigung oder starke Verschmutzung einzelner Facetten des getesteten Heliostaten automatisiert zu erkennen, damit darauf rasch reagiert werden kann. Als Testplattform für das Verfahren dient ein kleiner Heliostat, der mit vier Facetten mit je 25 cm Kantenlänge bestückt ist (Abb. 3). Abb. 3: Testheliostat

Hierfür soll die Energieversorgung kabelloser („autonomer“) Heliostate über Photovoltaik erfolgen. Jeder Heliostat erhält hierzu eine Solarzelle mit elektrischem Pufferspeicher. Die Kommunikation erfolgt ebenfalls drahtlos. Da die Anzahl von Heliostaten pro Feld durchaus in der Größenordnung von 50.000 bis 100.000 Stück liegen kann, bestand die Herausforderung darin, geeignete Kommunikationsprotokolle zu entwickeln, die sicherstellen, dass auch bei Ausfall einzelner Funkknoten die Kommunikation zu den anderen Heliostaten aufrecht erhalten bleibt . Im Projekt HelioMesh wurden hierzu von der Firma Trinamic und der Technischen Universität Hamburg-Harburg geeignete Funknetzwerke entwickelt, die den speziellen Anforderungen eines Solarthermischen Kraftwerks gerecht werden. Ein Heliostat-Prototyp wurde am Standort Stuttgart (Abb. 1) und fünf weitere am Solarturm Jülich aufgebaut. Ferner wurde ein Funk-Netz, bestehend aus annähernd 100 Knoten, an den Heliostaten des Solarturms Jülich installiert (Abb. 2) und erfolgreich getestet. Abb. 2: Test Funk-Kommunikationsnetz am Solarturm Jülich

Da die Größe des elektrischen Pufferspeichers der Energieversorgung maßgeblich die Kosten beeinflusst und das Solarstrahlungsangebot begrenzt ist, kommt dem Eigenenergieumsatz des Heliostaten höhere Bedeutung zu. Es ist insbesondere darauf zu achten, dass die Antriebe reibungsarm und damit energieeffizient arbeiten, ohne an Genauigkeit zu verlieren. Bei üblichen selbsthemmenden Getrieben ist der Wirkungsgrad Prinzip-bedingt niedrig. Wird jedoch auf Selbsthemmung verzichtet, müssen die Motoren hohe Haltemomente aufweisen, was zu hohen Kosten führen würde. Anders, wenn Radkränze verwendet werden und die Lasten auf Grund großer Hebelarme auf einen Bruchteil reduziert sind (Abb. 4). In einem Folgeprojekt soll ein Prototyp des neuen Heliostat-Konzeptes, das insgesamt eine signifikante Kostenreduzierung erwarten lässt, entwickelt und gebaut werden. Abb. 4: Konzept Radkranz-Heliostat

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Pfahl, A., Randt, M., Kubisch, S., Holze, C., Brueggen, H.: Autonomous Light-Weight Heliostat with Rim Drives, Proc. SolarPACES 2012 conference, Marrakesh.

»» Kubisch, S., Randt, M., Buck, R., Pfahl, A., Unterschütz, S.: Wireless Heliostat and Control System for Large Self-Powered Heliostat Fields, Proc. SolarPACES 2011 conference, Granada.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 14.200.000 €

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Lehrstuhl für Lasertechnik

Forschungsschwerpunkt »» Generative Verfahren »» Bohren »» Integrative Produktion »» 3D-Volumenstrukturierung »» Ultrafast »» Nano- und Mikrostrukturieren »» Dünnschichttechnik »» Strahlquellen »» Messtechnik »» Plasmatechnik »» Systemtechnik »» Modellierung und Simulation »» Oberflächenanalytik

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A.

LLT - Lehrstuhl für Lasertechnik Steinbachstraße 15 52074 Aachen Tel.: +49 241/890-6143 Fax: +49 241/890-6112 carina.brand@ilt.fraunhofer.de www.llt.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen 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 1 Professor, 1 Obering./-innen, 55 wiss. Mitarbeiter/-innen, 15 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 58 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» Generative Fertigung von BLISKs durch LaserstrahlAuftragschweißen

»» Präzisionsbauteile aus Rubin

»» Aufgabenstellung: BLISKs werden zurzeit unter großem Material- (Materialverlust ca. 80 Prozent) und Energieeinsatz sowie großem Zeitaufwand durch z. B. 5-AchsFräsen gefertigt, was bei den verwendeten hochwertigen Materialien sehr hohe Produktionskosten verursacht. Ziel ist die Entwicklung einer neuen Fertigungstechnologie, die sowohl die oben genannten Verluste als auch die Produktionskosten signifikant reduziert. Die generative Fertigung von BLISKs reduziert diese Verluste und bietet eine vielversprechende Lösung: Materialeinsparungen von ca. 60 Prozent und eine Verkürzung der Fertigungszeit um ca. 30 Prozent werden im Vergleich zu konventionellen Verfahren erwartet. Die Verfügbarkeit der neuen, generativen Fertigung gewährleistet (a) eine ressourcenschonende und somit Zeit und Kosten sparende Fertigung, (b) neue Designmöglichkeiten ohne geometrische Restriktionen – »designed for function, only« – sowie (c) die Erschließung neuer, kürzerer, effizienterer Prozessketten. »» Vorgehensweise: Zunächst werden Prozessdiagramme entwickelt, die für einen ausgewählten Werkstoff (z. B. IN 718) Parameterfenster für signifikant gesteigerte Auftragraten dokumentieren. Hierzu werden Parameterstudien bei Laserleistungen bis zu 10 kW durchgeführt. Durch die Verwendung einer Zoomoptik können die Spurbreiten darüber hinaus variiert werden, sodass auch bei einlagiger Stegbauweise, z. B. des Schaufelblatts, endkonturnah gearbeitet werden kann. Zur Überprüfung der Materialeigenschaften werden schaufelähnliche Probenkörper für Zug- und Dauerschwingversuche auf einem BLISK-Demonstrator (siehe Bilder) hergestellt. In einem weiteren Schritt erfolgt die Anpassung auf ein OEM-Bauteil. »» Ergebnis: Auftragraten bis zu 3,5 kg/h können mit Spurbreiten zwischen 2 und 4 mm erreicht werden, wobei die Materialeigenschaften (bisher untersucht: Zugfestigkeit) an die von gegossenem IN 718 heranreichen. Eine Modellschaufel kann endkonturnah binnen 2 Minuten aufgebaut werden. Bei der hierbei realisierten Auftragrate kann bezüglich der Geometrie eine Toleranz von +/- 200 μm bei einem gewählten Aufmaß von 500 μm für die spanende Endbearbeitung eingehalten werden. »» Anwendungsfelder: Anwendungsgebiet ist die Luft- und Raumfahrt, insbesondere die Triebwerkstechnik. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Verschleiß- und Korrosionsschutz, dort, wo hohe Auftragraten bei gleichzeitig hohen Anforderungen an die Konturtreue benötigt werden.

»» Aufgabenstellung: In der Uhrenindustrie wird Rubin in Form von Uhrensteinen aufgrund seines kleinen Reibungskoeffizienten (Rubin/Stahl geölt: 0,04 - 0,05), der großen Härte (9 Mohs) und des hiermit einhergehenden geringen Verschleißes der Einzelkomponenten eingesetzt. Die Herstellung der Lagersteine mit mechanisch abtragenden Fertigungsverfahren ist sehr zeit- und kostenintensiv und durch einen hohen Materialverlust geprägt. Bei komplexen Geometrien ist eine Kombination unterschiedlicher Fertigungsverfahren für die Herstellung der Lagersteine erforderlich. Ziel ist es, mittels selektivem laserinduzierten Ätzen (In-volume Selective Laser Etching, ISLE) Bauteile aus hartsprödem Material wie Rubin mit einem einzigen Verfahren hochpräzise herzustellen. »» Vorgehensweise: Das Material des gewünschten Bauteils wird beim selektiven laserinduzierten Ätzen zunächst mit stark fokussierter, ultrakurz gepulster Laserstrahlung modifiziert. Unter Verwendung eines hochpräzisen Scannersystems werden beliebige, dreidimensionale Strukturen im Volumen transparenter Materialien erzeugt. Im nachfolgenden Ätzschritt werden die modifizierten Bereiche mit einer Ätzflüssigkeit entfernt. Das unbestrahlte Material verbleibt nahezu unbeeinflusst, sodass Kanäle im Volumen entstehen. Mittels dieser schichtweisen Bestrahlung lassen sich komplexe, dreidimensionale Bauteile realisieren. »» Ergebnis: Neben der Herstellung von Bauteilen in Rubin wie Zylinder und Röhrchen sind bereits kubische Hohlräume und Kanäle mit einem Aspektverhältnis von 1000:1 bis zu einer Länge von 10 mm in Saphir realisiert worden »» Anwendungsfelder: Präzisionsbauteile aus hartspröden Materialien wie Rubin und Saphir finden einen großen Anwendungsbereich in der Uhrenindustrie, der chemischen Industrie und der Medizintechnik. Aufgrund der guten Zugänglichkeit des Laserstrahls beim berührungslosen Herstellungsverfahren ISLE können auch Bauteilgeometrien realisiert werden, welche bisher bedingt durch fertigungstechnische Restriktionen konventioneller Verfahren nicht realisiert werden können. Das zweistufige ISLE-Verfahren ersetzt Fertigungsprozesse mit bis zu 30 einzelnen Arbeitsschritten und reduziert somit die Herstellungszeit um ein Vielfaches. Abb. 3: Mittels ISLE hergestelltes Röhrchen aus Rubin (1 mm Länge, 900 μm Außendurchmesser, 400 μm Innendurchmesser).

Abb. 1: Auftragschweißen von Testschaufeln auf einem BLISK-Demonstrator.

Abb. 2: Innovative Abschirmung von atmosphärischen Gasen beim Auftragschweißen.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Beckmann, D., Esser, D., Gottmann, J.: Characterization of channel waveguides in Pr:YLiF4 crystals fabricated by direct femtosecond laser writing. Appl. Phys. B – Lasers Optics, Online first (6 S.), DOI: 10.1007/s00340011-4406-6, 2011.

»» Wortmann, D., Reinighaus, M., Finger, J., Dold, C., Russbueldt, P., Poprawe, R.: The physics in applications of ultrafast lasers. Proc. SPIE 8306, 830603 (6 S.), 2011

»» Beckmann, D., Schnitzler, D., Schaefer, D., Gottmann, J., Kelbassa, I.: Beam shaping of laser diode radiation by waveguides with arbitrary cladding geometry written with fs-laser radiation. Opt. Expr. 19, Nr. 25, 25418-25425, 2011.

»» Witzel, J., Schrage, J., Gasser, A., Kelbassa, I.: Additive manufacturing of a blade-integrated disk by laser metal deposition. ICALEO 30. Int. Congr. on Applications of Lasers and Electro-Optics, October 23-27, 2011. Paper 502 (7 S.), 2011

»» Merkt, S., Hinke, C., Schleifenbaum, H., Voswinckel, H.: Integrative Technology Evaluation Model (ITEM) for Selective Laser Melting (SLM). Adv. Mat. Res. 337, 274-280, 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 3.287.000 €

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Lehrstuhl für Medizintechnik Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Radermacher mediTEC - Lehrstuhl für Medizintechnik Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen Pauwelsstraße 20 52074 Aachen Tel.: +49 241/80-23870 Fax: +49 241/80-22870 meditec@hia.rwth-aachen.de www.meditec.hia.rwth-aachen.de

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. 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. Schwerpunktthemen sind: »» Bild- und Informationsverarbeitung »» Biomechanische Modellierung und Simulation »» Chirurgische Navigation und Robotik »» Sensorintegrierte Instrumente („Smart Instruments“) »» Ultraschall- und Stoßwellentechnik in der Medizin »» Ergonomie und Risikomanagement

»» Studienrichtungen Grundlagen des Maschinenwesens, Allgemeiner Maschinenbau »» Schwerpunkte Medizintechnik, Biomaterialien, Diagnostische und Therapeutische Instrumenten- und Gerätetechnik; Biomechanik, Computergestützte Chirugietechnik; Ergonomie, Mensch-Maschine-Interaktion und Risikomanagement in der Medizin »» Personal 1 Professor, 3 Obering./-innen, 33 wiss. Mitarbeiter/-innen, 7 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 40 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» Personalisierte morphologische und biomechanische Modellierung

»» iShunt-Projekt

Die patientenindividuell optimierte Therapie muskuloskeletaler Deformationen und resultierender funktionaler Einschränkungen bedarf hochqualitativer Modelle, die z.B. auf Basis von CT- und MRT-Daten generiert werden können. Am Lehrstuhl wird in verschiedenen Projekten u.a. an modellbasierten Ansätzen zur Segmentierung und Modellierung muskuloskeletaler Strukturen aus multimodalen Bilddaten geforscht. Dies schließt z.B. die elastische Anpassung morphologischer und funktionaler Referenzmodelle an die patientenspezifische Anatomie ein. Darüber hinaus werden verschiedene biomechanische Modelle (z.B. der Hüfte) bzgl. ihrer Nutzung im Rahmen der individuellen Therapieplanung evaluiert und weiterentwickelt.

Hydrozephalus (griech. Wasserkopf) ist eine Krankheit, welche bei fehlerhafter bzw. zu später Behandlung aufgrund eines zu hohen Hirndrucks zu schweren Schäden am Gehirn führen kann. Eine Behandlung erfolgt in der Regel durch künstlich eingbrachte mechanische Ventile (Shunt), welche den überflüssigen Liqor in ein anderes Körperkompartiment ableiten. Obschon etabliert, bestehen in der Therapie auch heute noch gravierende Defizite, die ohne eine Aufwertung des Implantates durch mechatronische Funktionskomponenten nicht zu lösen sind. Abb.3: Prototyp des Extra-Ventrikulären Systems zur Drainage

Abb.1: Personalisierte morphologische und biomechanische Modellierung am Knie

»» InnoMED-Projekt Operative Verfahren werden zunehmend durch minimal-invasive bildgeführte Therapietechniken ersetzt. Im cardiovaskulären Bereich betrifft dies u.a. die Schaffung eines künstlichen Gefäßkanals zwischen Portal- und Lebervenensystem, oder die in-situ Fenestrierung von Aortenprothesen zur Sicherung der Durchblutung der Bauchorgane. Ziel des InnoMED-Projektes ist es, basierend auf modernster Bildgebungs-, Registrierungs- und Navigationstechnologien sowie patientenindividueller wissensbasierter 3DModelle eine hybride Interventionstechnik zu entwickeln, die die Präzision und Sicherheit dieser komplexen interventionellen Therapieverfahren bei gleichzeitiger Minimierung der Strahlenexposition verbessert. Das Projekt wird gemeinsam mit klinischen, universitären und industriellen Partnern durchgeführt.

Ziel des iShunt-Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen Ansatzes, welcher basierend auf physiologischen Messadaten (Hirndruck, Körperlage, Durchfluss, Pulsamplitude, Elastizität des Gehirns, Anteil pathologischer Hirndruckwellen) einen geregelten Druchausgleich über eine steuerbares Ventil im Sinne eines rückgekoppelten Systems durchführt. Die Patientenüberwachung geschieht telemetrisch. Die Durchführung des Projektes erfolgt gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Medizinische Informationstechnik.

Abb. 2: Navigationssoftware für die minimal-invasive hybride Intervention

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»» BMWi-Verbundprojekt smartOR

»» ICOS - Impedance Controlled Surgical Intrumentation

Der Wunsch vom Plug & Play im Operationssaal soll im Rahmen des BMWi-Verbundprojekt smartOR (Entwicklung vernetzter OP-Systeme mit optimierter, prozessadaptiver Mensch-Maschine Interaktion) weiterentwickelt werden. Auf Basis einer Service-Orientierten Architektur (SOA) mit offenen Schnittstellen können Medizinprodukte unterschiedlicher Hersteller miteinander kommunizieren und, angepasst an den jeweiligen OP-Prozess, z.B. durch zentrale, ergonomisch optimierte Mensch-Maschine-Schnittstellen, bedient werden.

Revisionsoperationen von Hüftendoprothesen kommt aufgrund der begrenzten Lebensdauer der Erstimplantation von ca. 15 Jahren sowie vor dem Hintergrund einer steigenden Lebensqualität im Alter eine immer größere Bedeutung zu. Im Rahmen eines solchen Revisionseingriffs kann die Entfernung des Knochenzementes, mit welcher ein Teil der Prothesen im Knochenlager befestigt ist, ein erhebliches Problem darstellen. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Schlüsselexperimentes ICOS (Impedance Controlled Surgical Intrumentation) wird daher ein neuartiger Ansatz untersucht, welcher basierend auf in Echtzeit erfassten Bioimpedanz-Spektroskopie (BIS) Messdaten und eines Mini-Roboters den Zement automatisch erkennen, entfernen und den Eingriff somit sicherer machen soll.

Abb. 4: Netzwerkankopplung zur Datenübertragung im OP

Die Durchführung des Projektes erfolgt in enger Kooperation mit dem Lehrstuhl für Medizinische Informationstechnik. Abb. 5: Mini-Roboter zur Zemententfernung und integrierten BIS-Messung

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Armin Janß, Wolfgang Lauer, Fabrice Chuembou Pekam, Klaus Radermacher: Using New Model Based Techniques for the User Interface Design of Medical Devices and Systems. In: Martina Ziefle, Carsten Röcker (eds.): Human-Centered Design of EHealth Technologies. Medical Information Science Reference, IGI Global, Hershey-New York, pp.234-252, 2011.

»» Stefan Heger, Thorsten Vollborn, Joachim Tinschert, Fabrice Chuembou, Stefan Wolfart, Klaus Radermacher: High Frequency (75MHz) Ultrasound based Tooth Digitization Using Sparse Spatial Compounding in IEEE International Ultrasonics Symposium 2011, 18-21.Okt. 2011, Orlando, USA.

»» Marcus C Müller, Peter Belei, Matias de la Fuente, Melanie Strake, Koroush Kabir, Oliver Weber, Klaus Radermacher, Dieter C Wirtz: Evaluation of a new computer-assisted surgical planning and navigation system based on two-dimensional fluoroscopy for insertion of a proximal femoral nail: an experimental study J. Engineering in Medicine, Vol. 225, pp. 477-486, 2011.

»» Jeanette Mönch, Wolfgang Lauer, Bernhard Preim: Leitlinien für die Konzeption chirurgischer Ausbildungs- und Trainingssysteme Zeitschrift für interaktive und kooperative Medien (i-com), Vol. 9, pp. 3340, 2011.

»» Julia Benzko, Bastian Ibach, Klaus Rademacher: Der Traum vom Plug & Play im OP MED engineering, Vol. 3-4, pp. 76-79, 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 2.281.000 €

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Lehrstuhl und Institut für Leichtbau Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. 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 info@ilb.rwth-aachen.de www.ilb.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Verkehrstechnik (Luft- und Raumfahrttechnik) »» Schwerpunkte Statik, Festigkeit, Stabilität und Dynamik von Leichtbaustrukturen (Analyse, Numerik und Experiment) »» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 8 wiss. Mitarbeiter/-innen, 11 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 20 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» MAAXIMUS – EU-Projekt More Affordable Aircraft through eXtended, Integrated and Maturen Umerical Sizing

»» SFB TR-40 Gekoppelte Lösung von Aerothermoelastizitätsproblemen im Überschall

Im Projekt MAAXIMUS werden Methoden zur Entwicklung und Fertigung von Flugzeugrümpfen aus Faserverbundwerkstoffen erarbeitet. Das Institut für Leichtbau (ilb) entwickelt innerhalb des Projekts Methoden zur Statikund Stabilitätsanalyse der Rumpfstruktur aus Faserverbundwerkstoffen, die für eine Strukturauslegung geeignet sind. Die theoretischen Arbeiten werden durch Experimente an Strukturkomponenten begleitet. Die entwickelten Methoden werden mit einem Optimierungsprogramm verknüpft, um die Rumpfstruktur bereits in frühen Designphasen optimieren zu können. Im Berichtszeitraum wurde eine analytischen Methode zur Berechnung der Cripplinglast von stringerversteiften Schalen weiterentwickelt. Die Weiterentwicklung wurde dabei durch Experimente an Stringerprofilen und versteiften Schalen begleitet.

Als Teil des SFB TR-40 („Technologische Grundlagen für den Entwurf thermisch und mechanisch hochbelasteter Komponenten zukünftiger Raumtransportsysteme“) wird dieses Projekt gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Computergestützte Analyse Technischer Systeme (CATS) bearbeitet. Das Ziel des Projekts ist die Untersuchung des Verhaltens von Düsenstrukturen von Raketentriebwerken. Unter den in der Düse herrschenden Bedingungen kann die gegenseitige Beeinflussung der Strömung und der Struktur nicht vernachlässigt werden. Zu diesem Zwecke wird ein modulares Lösersystem entwickelt, um gekoppelte aerothermoelastische Berechnungen durchführen zu können. Die konkrete Aufgabe des ilb ist die Entwicklung eines schnellen und trotzdem zuverlässigen thermischen und thermoelastischen Strukturlösers welcher auf axisymmetrischen Schalenmodellen basiert. Dieser erlaubt in Verbindung mit einem CFD-Löser und einem Kopplungsmodul das Durchführen von gekoppelten aerothermoelastischen Simulationen. Im Berichtzeitraum konzentrierte sich die Arbeit auf die Berücksichtigung von nichtlinearen Phänomenen in dem Strukturlöser. Insbesondere die Berücksichtigung der thermischen Strahlung stand im Fokus der Forschungsarbeiten.

Abb. 1: Versagen einer J-Stringer-versteiften Schale unter axialer Druckbelastung

Abb. 2: Die berechneten Temperaturfelder in der Strömung (oben) und der Struktur (unten) für eine Dual-Bell-Düse im Höhenmodus

Zuätzlich wurde der Ansatz zur schnellen Nachbeulsimulation von Flugzeugrumpfabschnitten erweitert: Zur belastungsgerechten Auslegung können nun anisotrope Laminataufbauten berechnet werden; außerdem ist die Berücksichtigung unterschiedlicher Randbedingungen infolge torsionssteifer Stringerprofile sowie von Beulmodusänderungen nun möglich. Die weiterentwickelten Methoden wurden in ein institutseigenes Strukturanalyseprogramm implementiert und mit einem genetischen Optimierungsalgorithmus gekoppelt. Das resultierende Stukturoptimierungsprogramm wurde im Rahmen einer Beispieloptimierung eines versteiften Rumpfabschnitts unter Druckbelastung angewendet.

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»» iBOSS Intelligenter Baukasten für das On-Orbit Satellite-Servicing

»» DAEDALOS – EU-Projekt Dynamics in Aircraft Engineering Design and Analysis for Light Optimized

Ziel des iBOSS-Projekts 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. Wesentlicher Bestandteil der Arbeiten am ilb ist die Ausarbeitung eines geeigneten Strukturkonzepts sowie die Entwicklung von Schnittstellen, die die robotische Manipulation zulassen.

Im Rahmen des europäischen Projekts DAEDALOS wird mit 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, dynamische Zugversuche durchzuführen, bei denen die Dämpfungseigenschaften von Aluminium und Faserverbundwerkstoffen bestimmt werden. Die experimentell gewonnenen Daten werden anschließend benutzt, um Dämpfung in einem Finite-Elemente-Modell eines generischen Flugzeugs zu implementieren und die Energiedissipation zu simulieren.

Abb. 3: Demonstratorwürfelbausteine während Funktionstests

Im Berichtszeitraum hat sich das ilb an der Definition der unterschiedlichen Probekörper für die experimentelle Arbeit innerhalb des Projekts beteiligt. Zudem wurde im Hinblick auf eine verkürzte Rechenzeit ein Hybridmodell (detailliertes Modell für Rumpf, vereinfachtes Modell für Flügel und Leitwerke) des generischen Flugzeugs erstellt, mit dessen Hilfe die strukturelle Antwort verschiedener Rumpfpaneele auf einen Landestoß untersucht wurde. Darüber hinaus wurde ein Versuchsaufbau für die Durchführung der dynamischen Dämpfungsversuche ausgelegt und fertiggestellt. Es wurden erste Tests an Proben aus Faserverbundwerkstoffen durchgeführt. Abb. 4: Strukturelle Antwort des Hybrid-Modells auf den Landestoß (skaliert)

Im Jahr 2011 wurde ein schlüssiges Konzept der Baukastenstruktur erarbeitet. Dies beinhaltet sowohl das Design und die Auslegung von entsprechenden Strukturelementen als auch die Ausarbeitung mechanischer Schnittstellenelemente. Zur Konzeptvalidierung wurden während des Berichtszeitraums Labordemonstratoren gefertigt und es wurde mit ersten Tests begonnen, die in den Folgejahren weitergeführt und zu Ende gebracht werden

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Quatmann, M., Reimerdes, H.-G.: Preliminary design of composite fuselage structures using analytical rapid sizing methods. CEAS Aeronautical Journal, vol. 2, no. 1, pp. 231-241 (2011).

»» Quatmann, M., Reimerdes, H.-G.: Prediction of crippling loads of composite stringers. In proceedings: ICCS 16, 2011, Porto.

»» Buxel, C., Dafnis, A., Reimerdes, H.-G.: Aeroelastic windtunnel testing under cryogenic conditions employing a flexible wing including a winglet with in-situ active control surface. International Forum of Aeroelasticity and Structural Dynamics 2011 (IFASD 2011), Paris, Paper IF-106.

»» Hosters, N., Klaus, M., Schieffer, G., Behr, M., Reimerdes, H.-G.: Towards Aerothermoelastic Simulations of Supersonic Flow through Nozzles. In proceedings: 4th European Conference for Aerospace Sciences, 2011, St. Petersburg, Russland.

»» Buchwald, R., Klaus, M., Bolz, J., Dafnis, A., Reimerdes, H.-G.: Stepwise development, testing, and technology demonstration of a landing system with landing legs. In proceedings: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2011, Bremen, CD.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 585.000 €

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Institut für SchweiSStechnik und Fügetechnik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen ISF - Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen University Pontstraße 49 52062 Aachen Tel.: +49 241/80-93871 Fax: +49 241/80-92170 office@isf.rwth-aachen.de www.isf.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Maschinenbau, Materialwissenschaften, Wirtschaftsingenieurwesen, Lehramt, Elektrotechnik »» Schwerpunkte Fügetechnik, Strahl-, Lichtbogen-, Widerstandsschweißen, Klebtechnik, Löten, Automatisierung, Sensorik, Prozesssimulation, Prüftechnik, Arbeits- und Umweltschutz »» Personal 1 Professor, 3 Obering./-innen, 26 wiss. Mitarbeiter/-innen, 23 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 40 stud. Mitarbeiter/-innen

Das Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen University befaßt sich seit fast 60 Jahren mit modernen Schweiß- und Fügetechnologien. Bearbeitet wer-den 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. Begleitend werden Arbeiten zur schweißtechnischen Verarbeitung moderner Werkstoffe, zur Automatisierung und Mechanisierung, zur Prozesssimulation sowie zum Arbeits- und 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 Kernkompetenzen 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, für Gutachten und für Schadensanalysen genutzt. Sie stehen auch für externe Auftraggeber zur Verfügung. 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.

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Ausgewählte laufende Projekte »» Ziel II NRW JoinZinc Energiearmes thermisches Fügen mit Zink- und Zinnbasislot für den Einsatz im Fahrzeugbau

»» AIF Qualifizierung des Elektronenstrahlschweißens im Dickblechbereich für Anwendungen im Windenergieanlagenbau

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.

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 (Offshore- Windenergie) 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.

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.

Ziel dieses Vorhabens ist es, das EB-Schweißverfahren für die Errichtung von Off-Shore WEA-Parks zu qualifizieren.

»» DFG Simulationsunterstützte Erstellung eines erweiterten Prozessmodells für das Unterpulverschweißen durch Kombination indirekter und direkter Erfassung von Schweißbadgeometrie und –dynamik

»» AIF Entwicklung einer Online-Schmelzbaddiagnostik zur Schweißnahtqualitätsüberwachung und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen

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.

Lichtbogenschweißverfahren werden aufgrund ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten, ihrer Wirtschaftlichkeit und ihres hohen Automatisierungsgrades in vielen Industriebereichen genutzt. Dabei mögliche Fehler resultieren in der regel aus einem nicht optimal ein-gestellten Prozess oder aus Schwankungen der Prozessrandbedingungent. Um Kosten für Nacharbeit zu minmieren besteht zunehmend Interesse daran,den Schweißvorgang mit Hilfe von Sensoren zu überwachen und beim Auftreten von Unregelmäßigkeiten regelnd einzugreifen.

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.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, für das MSG-Impuls-, das WIG- und das Plasmastichlochschweißverfahren ein System zu entwickeln, das eine Online-Qualitätsüberwachung der Schweißnaht . Hierzu werden Bildverarbeitungssensoren eingesetzt, die das Schmelzbad orts- und zeitaufgelöst analysieren und durch innovative Bildverarbeitungsalgorithmen ausgewertet werden.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Beckers, Marion; Buchholz, Guido; Willms, Konrad: „CleanWELD“ - Modellbasierter Ansatz für die Auswahl und Optimierung der Prozesseinstellgrößen zur Reduzierung der Schadstoffemission beim MSG-Schweißen Schweißen und Schneiden 63 (2011), Heft 12, pp. 724 726 DVS Media, Düsseldorf.

»» Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Backhaus, Alexander: Microstructure Analysis of Electron-Beam Brazed y-Titanium Aluminide Materials Science Forum Vol. 690 (2011), pp. 153-156 Trans Tech Publications, Stafa, CH.

»» Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Jakobs, Stefan; Longerich, Stefan: Hochleistungs-Laserstrahl-Schweißen von Dickblechen im Feinvakuum Eine Alternative zum Elektronenstrahlschweißen? Schweißen und Schneiden, 63 (2011), 9, pp. 522 - 527 DVS-Media, Düsseldorf.

»» Reisgen, Uwe; Schleser, Markus; Harms, Alexander: Modification and further development of friction stir welding for increased welding speed, reduced tool wear and less complex clamping technology on the route towards applications in automobile production Fügen im Karosseriebau 2011.12. bis 14.04.11.

»» Reisgen, Uwe; Schleser, Markus; Mokrov, Oleg; Zabirov, Alexander: Virtual welding equipment for simulation of GMAW processes with integration of power source regulation Frontiers of Materials Science, 2011, 5(2), pp. 79-89 Springer, Berlin, Heidelberg.

Drittmittelausgaben 2011

Anzahl der Drittmittelprojekte: 46

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Angewandtes Supercomputing im Maschinenbau Forschungsschwerpunkt 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 office-ac@grs-sim.de www.grs-sim.de/engineering

»» Studienrichtungen 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 1 Professorin, 0 Obering./-innen, 11 wiss. Mitarbeiter/-innen, 3 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 10 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» 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.

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. 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.

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.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Sabine Roller, Jörg Bernsdorf, Harald Klimach, Manuel Hasert, Daniel Harlacher, Metin Cakircali, Simon Zimny, Kannan Masilamani, Laura Didinger, and Jens Zudrop: An adaptable simulation framework based on a linearized octree. In Michael Resch, Xin Wang, Wolfgang Bez, Erich Focht, Hiroaki Kobayashi, and Sabine Roller, editors, High Performance Computing on Vector Systems 2011, pages 93–105. Springer Berlin Heidelberg.

»» Jörg Bernsdorf, Dinan Wang, and Guntram Berti: Two complementary approaches for integrating a lattice boltzmann flow solver into simulation frameworks. Procedia Computer Science, 4:1014–1020, 2011.

»» M. Hasert, J. Bernsdorf, and S. Roller: Towards aeroacoustic sound generation by flow through porous media, Phil. Trans. R. Soc. A, vol. 369, no. 1945, pp. 2467-2475, Jun. 2011.

»» T. Stindl, J. Neudorfer, A. Stock, M. Auweter-Kurtz, C.-D. Munz, S. Roller, R. Schneider: Comparison of Coupling Techniques in a Particle in Cell Solver, Journal of Physics D: Applied Physics. Vol 44(19), 2011.

»» H. Klimach and S. Roller: Distributed coupling for multi-scale simulations. In P. Ivanyi and B.H.V. Topping, editors, Proceedings of the Second International Conference on Parallel, Distributed, Grid and Cloud Computing for Engineering. Civil-Comp Ltd., 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 222.000 €

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Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Christopher Marc Schlick

IAW - Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft Bergdriesch 27 52056 Aachen Tel.: +49 241/80-99440 Fax: +49 241/80-92131 info@iaw.rwth-aachen.de www.iaw.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Produktionstechnik; Wirtschaftsingenieurwesen; Lehramt für Berufkollegs, Fachdidaktik im Maschinenbau »» Schwerpunkte Ergonomie, Mensch-Maschine-Systeme, Fachdidaktik Maschinenbautechnik

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. Prof. Schlick wurde 2011 als Fachkollegiat in das Fachkollegium 407 „Systemtechnik“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft gewählt, nimmt dort die Rolle des stellvertretenden Sprechers wahr, und er wirkt damit aktiv an der strukturellen Weiterentwicklung und Qualitätssicherung der Forschung in Deutschland mit.

»» Personal 2 Professoren, 3 Obering./-innen, 26 wiss. Mitarbeiter/-innen, 10 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 41 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» Altersdifferenzierte Adaption der Mensch-Maschine-Interaktion

»» Entwicklung und Evaluierung kognitiver Systeme

Vor dem Hintergrund des demographischen Wandels und einer damit einhergehenden Verlängerung der Lebensarbeitszeit ergeben sich für die Gestaltung der Mensch-Maschine-Interaktion vielfältige Herausforderungen. Ziel des von der DFG-geförderten Projekts „Altersdifferenzierte Adaption der Mensch-Rechner-Interaktion“ ist es, Modelle und Methoden von Mensch-Maschine-Schnittstellen zu entwickeln und anhand prototypischer Benutzungsschnittstellen in Versuchsreihen unter Laborbedingungen ergonomisch zu bewerten. In verschiedenen Studien wurde gezeigt, dass altersbedingte Unterschiede hinsichtlich der benötigten Bearbeitungszeit bei Zeige- und Verschiebeaufgaben mit einem Touchscreen im Vergleich zur Eingabe mit einer Maus reduziert werden können. Vielfältige Anwendungsgebiete erfordern den Einsatz großflächiger Touchscreens. Oftmals werden jedoch Interaktions- und Eingabekonzepte eingesetzt, die ursprünglich für die Eingabe mittels einer Maus konzipiert und optimiert wurden. Die Informationseingabe mit der Maus erfolgt typischerweise über relativ kleine Interaktionsschaltflächen und Buttons im oberen Bildschirmbereich. Werden diese Eingabekonzepte auf großflächige Touchscreens übertragen, so resultiert eine erhöhte muskuläre Beanspruchung durch repetitive weiträumige Zeigebewegungen und es ist eine erhöhte Fehlerrate aufgrund der für die Eingabe mittels eines Fingers zu kleinen Objektgröße zu erwarten. Es stellt sich die Frage, wo und in welcher Größe Objekte auf großflächigen Touchscreens angeordnet werden sollten, um eine effektive und effiziente Informationseingabe zu ermöglichen. In drei Studien mit insgesamt 100 Personen im Alter zwischen 20 und 77 Jahren wurde eine altersdifferenzierte Erweiterung des Fitts´schen Gesetzes vorgenommen. Das erweiterte Modell berücksichtigt die visuell-motorische Korrektur der Bewegungslänge und der Bewegungsrichtung sowie die winkelspezifische Trägheit des Arm-Hand Systems. Mithilfe dieser Modellerweiterung kann winkelspezifisch ermittelt werden, welchen Abstand und welche Größe Interaktionselemente aufweisen sollten um vom Benutzer innerhalb einer vorgegebenen Zeit erreicht zu werden. Abbildung 1 zeigt links eine für die Bedienung mit der Maus ausgelegte spaltenweise Anordnung von Interaktionselementen. Rechts in Abbildung 1 ist eine greifbereichsspezifische Anordnung von Interaktionselementen auf der graphischen Benutzeroberfläche eines großflächigen berührungssensitiven Bildschirms dargestellt. Die Größe der Elemente wurde nach dem erweiterten Fitts´schen Gesetz ermittelt, sodass alle Elemente vom Benutzer innerhalb von 500 ms komfortabel erreicht werden können.

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. Sie basiert auf der kognitiven Architektur SOAR und ist aufgrund deren besonderer Symbol- und Signalverarbeitung in der Lage, den Fertigungsablauf unter sich ändernden Randbedingungen und aufgrund unvollständiger Informationen fein zu planen, ggf. hinsichtlich vorgegebener fertigungstechnischer Kriterien situativ zu optimieren und somit dem Menschen sich ständig wiederholende, eintönige Aufgaben abzunehmen. Die Ergebnisse früherer Studien mit abstrakten Modellen aus LEGO-Steinen, welche eine besondere Eignung des Systems unter der Randbedingung einer stochastischen Bauteilbereitstellung ergaben, konnten auch für realistischere Bauzusammenhänge erfolgreich bestätigt werden. Als Anwendungsszenario wurde ein an die Anforderungen der CCU angepasstes Modell eines acht Zylinder V-Motors erstellt. Aufgrund der Fähigkeit der CCU eigenständig zu planen und zu reagieren, ist ein weiterer Forschungsschwerpunkt die Interaktion zwischen Mensch und Maschine in derartigen komplexen sozio-technische Systemen. Um die auf den Entscheidungen der CCU basierenden Handlungen des Montageroboters für den Menschen so transparent wie möglich zu gestalten, orientiert sich die Prozesslogik an elementaren Bestandteilen der MTM-1Taxonomie. Zusätzlich wurden aus den Ergebnissen der Studien menschliche Handlungsprinzipien abgeleitet und in die Entscheidungsfindung der CCU integriert. Damit verbessert sich die Fähigkeit des Menschen, das Verhalten des Systems nachzuvollziehen und mögliche zukünftige Handlungen vorherzusagen. Insbesondere letzteres ist eine wichtige Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz einer CCU in einem soziotechnischen Produktionssystem. Der Prototyp der CCU wurde darüber hinaus mit einer realen Produktionszelle des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen gekoppelt, sodass die CCU einerseits auf reale Gegebenheiten des Montagesystems reagieren muss und andererseits die Auswirkungen ihrer Entscheidungen direkt in Handlungsanweisungen für das Montagesystem umgesetzt werden können. Abb. 2: Modell eines acht-Zylinder V-Motors als praxis-relevantes Anwendungsszenario

Abb. 1: Spaltenweise Anordnung (links) und greifbereichsspezifische Anordnung von Interaktionselementen (rechts)

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Frenz, M.; Unger, T.; Schlick, C.; (Hg.): Moderne Beruflichkeit - Untersuchungen in der Energieberatung, In: Reihe Berufsbildung, Arbeit und Innovation, Band 36, wbv Bertelsmann, Bielefeld 2011, ISBN 978-3-7639-4912-0 , E-book 978-3-76394913-7 , S. 1-158.

»» Nielen, A.; Költer, D.; Mütze-Niewöhner, S.; Schlick, C.: Identification and Classification of Human Error in Process Model Development, Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, S. 1633-1637.

»» Mayer, M.; Odenthal, B.; Ewert, D.; Kempf, T.; Behnen, D.; Büscher, C.; Kuz, S.; Müller, S.; Hauck, E.; Kausch, B.; Schilberg, D.; Herfs, W.; Schlick, C.; Jeschke, S.; Brecher, C.: Selbstoptimierende Montagesysteme auf Basis kognitiver Technologien, In: Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer, Hrsg.: Brecher, C., Springer, Berlin 2011, ISBN 978-3-642-20692-4, S. 958-1014.

»» Pfendler, C.; Thun, J.; Alexander, T.; Schlick, C.: The influence of different electronic maps and displays on performance and operator state in a geographic orientation task, In: Behaviour & Information Technology, Hampshire, 30 (2011) 6, ISSN 1362-3001 (online), 0144-929X (print), S. 833-844.

»» Mayer, M.; Schlick, C.; Ewert, D.; Behnen, D.; Kuz, S.; Odenthal, B.; Kausch, B.: Automation of robotic assembly processes on the basis of an architecture of human cognition, In: Production Engineering Research and Development, 5 (2011) 4, ISSN 0944-6524, S. 423-431.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 1.600.000 €

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Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement Forschungsschwerpunkte 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. m Rahmen unserer Forschungsarbeiten bieten wir Studierenden aktuelle und attraktive Studien-, Diplom 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 Brasilein durchführen, mitzuarbeiten. Dabei stehen neueste Messgeräte wie ein Computertomograph, Lasermesssyteme und Koordinatenmessgeräte zur Verfügung

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt WZL - Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement Steinbachstr. 19 52074 Aachen Tel.: +49 241/80-27413 Fax: +49 241/80-22193 info@wzl.rwth-aachen.de www.wzl.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Maschinenbau, Produktionstechnik, Entwicklung und Konstruktion, Fahrzeugtechnik und Transport, Kunststoff- und Textiltechnik »» Schwerpunkte Fertigungsmesstechnik , Qualitätsmanagement »» Personal 1 Professor, 3 Obering./-innen, 38 wiss. Mitarbeiter/-innen, 11 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 64 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» Rückgeführte 3D-Messung von Großbauteilen auf Werkzeugmaschinen

»» Das Projekt MT-Trace

In den stark wachsenden Industriezweigen wie der Windkraftindustrie oder der Luftfahrtindustrie werden Großbauteile mit komplexer Geometrie in zunehmenden Mengen nachgefragt. Es ist daher erforderlich, diese Produktionsprozesse zu industrialisieren, um qualitativ hochwertige Bauteile in ausreichender Stückzahl wirtschaftlich fertigen zu können. Das Ziel der Industrialisierung ist eine „first time right“ Fertigung anspruchsvoller Großbauteile durch den Einsatz fähiger Fertigungs- und Prüfprozesse.

Im Projekt MT-Trace (Machine Tool Traceability = Rückgeführte Werkzeugmaschine) werden daher Verfahren entwickelt, die es ermöglichen, eine WZM als KMG für die rückgeführte Prüfung von Großbauteilen einzusetzen. Geometriemessungen auf der WZM werden zwar seit vielen Jahren durchgeführt, und viele Maschinen sind mit taktilen Tastsystemen ausgerüstet. Allerdings wirken sich die Positionsfehler der Maschine auch auf die Messungen mit der Werkzeugmaschine aus. Die Maschine ist gegenüber ihren eigenen Fehlern „blind“.

Da die Toleranzen in vielen Fällen nicht im gleichen Maße wie die Bauteildimensionen wachsen, steigen die Anforderungen an die Genauigkeit der eingesetzten Systeme. Zusätzlich wird die Herstellung durch die Temperaturdehnung und Durchbiegung der Großbauteile erschwert. Trotz dieser Herausforderungen muss auch bei kleiner Stückzahl eine „first time right“ Produktion realisiert werden, da die Nacharbeit an den meist sehr hochwertigen Produkten zu hohen Kosten führt.

Entscheidend ist es daher, systematische Positionsfehler der WZM zu korrigieren und die zufälligen Fehler zu kennen. Möglich wird die Messung der Positionsabweichung von großen Werkzeugmaschinen durch den Einsatz von Tracking-Interferometern nach dem Prinzip der sequentiellen Multilateration. Ein Verfahren, das ursprünglich für Koordinatenmessgeräte entwickelt wurde und die Kalibrierung großer Volumina mit geringer Messunsicherheit ermöglicht. Erst durch den Einsatz dieses innovativen Kalibrierverfahrens gelingt der Paradigmenwechsel, die Geometriemessung mit einer Werkzeugmaschine auf das nationale Normal rückzuführen, und so auf eine Referenzmessung mit dem KMG zu verzichten. Das Projekt MT-Trace wird von einem Industriekonsortium finanziert und zusammen mit der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) sowie der Firma Etalon bearbeitet. Abb. 1: Teilnehmer MT-Trace

»» Messen auf der WZM Ein wichtiger Baustein der „first time right“-Produktion ist das Schließen von Regelkreisen auf Basis valider Messwerte über das Produkt und den Produktionsprozess. Gerade bei der Herstellung von Großbauteilen stehen allerdings Koordinatenmessgeräte (KMG) einer ausreichenden Größe für die Bauteilprüfung nicht immer zur Verfügung. Ideal wäre daher eine Messung des Objekts auf der Werkzeugmaschine (WZM). Eine Möglichkeit ist der Einsatz externer Messsysteme aus dem Bereich der Makromesstechnik wie beispielsweise Lasertracker. Eine Automatisierung der Prüfung ist allerdings aufwändig und setzt voraus, dass die Sichtlinie zwischen dem Messtaster und dem Lasertracker nicht unterbrochen wird.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Schmitt, R.; Nisch, S.; Jatzkowski, P.: Makromesstechnik in: Fertigungsmesstechnik 2020 - Technologie-Roadmap für die Messtechnik in der industriellen Produktion, Hrsg.: VDI Gesellschaft Düsseldorf 2011, ISBN 978-3-00-034706-1, S. 65-73.

»» Schmitt, R.; Damm, B.; Lose, J.; Jatzkowski, P.: Anforderungen der Produktion in: Fertigungsmesstechnik 2020 - Technologie-Roadmap für die Messtechnik in der industriellen Produktion , Hrsg.: VDI-Verlag Düsseldorf 2011, ISBN 978-3-00-034706-1, S. 14-19.

»» Schmitt, R.; Pfeifer, T.; Pavim, A.: Cognitive Production Metrology - Ein neues Konzept zur qualitativen Absicherung der Kleinserienproduktion: Industrie Management 27 (2011) 2, ISSN 1434-1980, S. 13-18.

»» Schmitt, R.; Schumacher, S.; Föhr, R.: ChinaStar - Deutsche Dienstleister auf dem Weg nach China in: Mit Dienstleistungen die Zukunft gestalten, Hrsg.: Gatermann, I.; Fleck, M.I; mpulse aus Forschung und Praxis, Beiträge der 8. Dienstleistungstagung des BMBF, Campus Verlag Frankfurt/M. 2011, ISBN 978-3-59339391-9, S. 225-234.

»» Schmitt, R.; Zentis, T.: Technisches Risikomanagement - Status Quo deutscher produzierender Unternehmen in: Produkt- und Prozessqualität präventiv absichern und messbar machen, Hrsg.: Schmitt, R., 1. Aufl., Apprimus Verlag Aachen 2011, ISBN 978-3-86359-034-5, S. 85-113.

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Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr. rer. nat. 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 Schomburg@kemikro.rwth-aachen.de www.kemikro.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Konstruktion, Grundlagen des Maschinenbaus, Produktionstechnik für Mikrosysteme

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 völlig neuer Lösungskonzepte. So wurde z.B. ein Verfahren entwickelt, mit dem Mikrowärmetauscher oder Mikroreaktoren durch Heißprägen mit Ultraschall besonders preiswert hergestellt werden können. Die Ergebnisse der Forschung finden über die Vorlesungen „Mikrotechnische Konstruktion“, „Konstruktion von Mikrosystemen“ und „Einführung in die Mikrosystemtechnik“ Eingang in die Lehre.

»» Schwerpunkte Konstruktion von Mikrosystemen »» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 7 wiss. Mitarbeiter/-innen, 2 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 10 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »»

Mikrosysteme

Das bei KEmikro entwickelte Ultraschallheißprägen wurde eingesetzt, um Mikrokanäle mit Sensordrähten zu versehen (Abb. 1). Der Mikrokanal ist 70 mm lang, 0,6 mm breit und 0,5 mm tief. Abb. 1: Mikroreaktor mit Sensoranschlüssen

In Zusammenarbeit mit der Technische Chemie (ITMC) wurde ein Mikrokanal aus dem chemisch inerten Polymer Polyvinylidenfluorid (PVDF) entwickelt, in dem eine so genannte Taylerströmung erzeugt wurde, bei der zwei nicht mit einander mischbare Phasen abwechseln durch einen Mikrokanal gepumpt werden. In der Abbildung sind eine organische und eine eingefärbte wässrige Phase zu beobachten. Zur Detektion der Länge der jeweiligen Phasen wurden zwei Golddrähte mit einem Durchmesser von 50 µm jeweils am Anfang und am Ende quer über den Mikrokanal eingeschweißt. Zwischen den beiden Drähten wurde eine Wechselspannung angelegt, sodass immer dann, wenn sich die elektrisch leitfähige wässrige Phase zwischen den beiden Drähten befand, ein elektrischer Strom gemessen wurde. Darüber hinaus wurde einer der beiden Drähte elektrisch beheizt. Durch die fließende Flüssigkeit wurde der Draht gekühlt. Der elektrische Widerstand praktisch jedes Drahtes ist von seiner Temperatur abhängig, deshalb konnte durch die Messung des Widerstandes auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden. Die Frequenz eines Tons, der von Pfeifen erzeugt wird, ist anders, als man es in der Schule lernt, von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Deshalb sind im Prinzip alle Pfeifen auch als Sensoren für Strömungsgeschwindigkeiten geeignet. Eine Pfeife kann z.B. im Innern einer Rohrleitung angebracht werden, von außen wird mit einem Mikrofon der Ton aufgenommen und seine Frequenz bestimmt. So ist es denkbar, dass die Strömungsgeschwindigkeit in einem Rohr von außen gemessen wird, ohne dass Kabelverbindungen durch das Rohr notwendig wären.

Die Experimente bei KEmikro zeigten dann allerdings, dass die Frequenz der Pfeifen nur bei Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 5 und 20 m/s vom Medium unabhängig ist. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten muss das Medium bekannt sein, um eine verlässliche Messung durchführen zu können. Die Messung mit Mikropfeifen in Form von Orgelpfeifen ist auch bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten vom Medium unabhängig dafür aber nicht so empfindlich und keine lineare Funktion der Geschwindigkeit. In der Vergangenheit wurden Mikrosensoren wie z.B. Beschleunigungssensoren, Drucksensoren und Drehratensensoren gern aus Silizium hergestellt, weil sie dann integriert mit den zugehörigen elektronischen Schaltkreisen für die Signalauswertung gefertigt werden konnten. Neuerdings wird auch Elektronik entwickelt, die auf und in Polymerfolien angebracht ist. Deshalb stellt sich die Frage, ob nicht auch Sensoren aus Kunststoffen hergestellt werden können, die dann integriert mit der neuartigen Elektronik auf Polymerbasis gefertigt werden. Der Vorteil der Fertigung aus Kunststoffen ist, dass sie wesentlich preisgünstiger sein kann als entsprechende elektrische, mechanische oder fluidische Bauteile aus Silizium. Im Rahmen einer Doktorarbeit wurde deshalb untersucht, welche Möglichkeiten es gibt, Beschleunigungssensoren aus Kunststoff herzustellen. Polymere neigen dazu bei einer Überlastung zu kriechen, das heißt, sie verändern dauerhaft ihre Form. Darüber hinaus ist die thermische Dehnung von Kunststoffen im Allgemeinen viel größer als diejenige von Silizium. Deshalb musste auf diese Umstände beim Entwurf der neuen Sensoren besonders Rücksicht genommen werden. Das Ergebnis der Entwicklung war schließlich ein Beschleunigungssensor, dessen seismische Masse an einem relativ langen Streifen angebracht ist und durch magnetische Kräfte immer in seiner Ruhelage gehalten wird (vgl. Abb. 3). Das Messsignal wird dann aus dem elektrischen Strom abgeleitet, der notwendig ist, die Masse in ihrer Ruhelage zu balancieren. Abb. 3: Vortex Pfeife

Für solche Anwendungen besonders interessant sind so genannte VortexPfeifen, weil Experimente gezeigt haben, dass deren Frequenz nur von der Strömungsgeschwindigkeit und nicht vom jeweiligen Medium abhängig ist und darüber hinaus ein linearer Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Strömungsgeschwindigkeit besteht. Deshalb wurden bei KEmikro Mikropfeifen hergestellt, die nach diesem Prinzip funktionieren ( Abb. 2). Abb. 2: Beschleunigungssensor

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» J. Li, W.K. Schomburg: ” Electromagnetically force balanced polymer accelerometer” Microsy. Technol. 2012, doi: http://dx.doi.org/10.1007/s00542-012-1558-1.

»» C. Gerhardy, W.K. Schomburg: ”Time of flow sensor with a flow parallel wire” Sensors and Actuators A (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2012.03.010

»» K. Burlage, C. Gerhardy, H. Praefke, M.A. Liauw, W.K. Schomburg: ”Taylor-Flow Monitoring Integrated in a novel PVDF Micro Channel” Book of Abstracts, IMRET 12, 12th Int. conf. on microreaction technology in Lyon, France, 20th – 22nd February (2012) 75 - 76.

»» Y. Di, C. Gerhardy, W.K. Schomburg: ”Quick flow sensor insensitive to fluid properties” Proc. 22nd MicroMechanics Europe Workshop, MME 2011 in Tønsberg, Norway, 19. - 22. June (2011), Poster A4, http://www.mme2011.org/MME2011_Proceedings.pdf

»» W.K. Schomburg: ”Introduction to Microsystem Design” (2011) Springer, Heidelberg, Berlin, ISBN 978-3-642-19488-7.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 209.000 €

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Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut Forschungsschwerpunkt »» Subsonische, transonische, supersonische und hypersonische Strömungen werden experimentell und numerisch untersucht »» Aerokustik »» biomedizinische Strömungen »» Turbulenz und Wirbeldynamik »» Aerolastizität »» Motorinnenströmung »» Algorithmen- und Messtechnikentwicklung

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder

AIA - Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut Wüllnerstraße 5a 52062 Aachen Tel.: +49 241/80-95410 Fax: +49 241/80-92257 office@aia.rwth-aachen.de www.aia.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen 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 1 Professor, 2 Obering./-innen, 37 wiss. Mitarbeiter/-innen, 25 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 42 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» Entwicklung eines zonalen RANS-LES Verfahrens

»» Numerische Analyse der dreidimensionalen turbulenten Strömungen im Brennraum von Verbrennungsmotoren

Die numerische Analyse komplexer turbulenter Strömungsprobleme erfordert generell eine Turbulenzmodellierung höherer Ordnung, um eine physikalisch richtige Lösung sicherzustellen.

Die innermotorische Verbrennung und damit die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt wesentlich von der turbulenten Strömung im Zylinder ab. Sowohl die großskaligen als auch die turbulenten 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 den meisten Strömungssimulationen allerdings nur lokal mit einer erhöhten Komplexität der Strömungsphysik zu rechnen ist, kommt ein zonaler Ansatz in Frage, der die Gebiete komplexer Strömung 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). 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 LES-Gebiet 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. Abb. 1: Transonisches Strömungsfeld

Im Rahmen dieses Projektes wird die Motorinnenströmung in realen Vierventil-Motoren während der ersten zwei Takte mittels hochaufgelöster Grobstruktursimulation untersucht (Abb. 2). Dies erlaubt eine detaillierte Analyse der vorliegenden großskaligen und 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

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» 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.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 2.425.000 €

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Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Produktionssystematik

Forschungsschwerpunkt Ziel der Arbeiten des Lehrstuhls fiir Produktionssystematik ist es, der produzierenden Industrie durch konzeptionelle Forschungsergebnisse zu langfristigem und dauerhaftem Erfolg zu verhelfen. Die Themen erstrecken sich von der Unternehmensentwicklung iiber das Innovationsmanagement bis zur operativen Produktionsplanung und -steuerung. Eine besondere Stärke des Lehrstuhls fiir 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 fiir Produktionssystematik liegt auf dem Werkzeug- und Formenbau, dem Maschinen- und Anlagenbau und der Automobilindustrie.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Günther Schuh

WZL - Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Produktionssystematik Steinbachstr. 19 52074 Aachen Tel.: +49 241/80-27405 Fax: +49 241/80-22293

Der Lehrstuhl für Produktionssystematik gliedert sich in die drei Abteilungen Business Engineering, Innovationsmanagement und Produktionsmanagement.

g.schuh@wzl.rwth-aachen.de www.wzl.rwth-aachen.de

Fokus der Abteilung Business Engineering sind die Themenfelder Unternehmensentwicklung und Werkzeugbau. 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. 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. Die Abteilung Produktionsmanagement beschäftigt sich mit der Gestaltung effizienter Wertschöpfungsstrukturen, die das Zusammenspiel aus Eigen- und Fremdfertigung am richtigen Standort nutzten und ein optimal aufeinander abgestimmtes Produktionsnetz entstehen lassen. Weitere Tätigkeitsfelder sind Fabrikneu- und -umplanung und Lean Produktion.

»» Studienrichtungen Produktionstechnik »» Schwerpunkte Unternehmensentwicklung, Innovationsmanagement, Produktionsmanagement, Komplexitätsmanagement »» Personal 1 Professor, 3 Obering./-innen, 35 wiss. Mitarbeiter/-innen, 13 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 58 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» ProAktiW Wandlungsfähige Produktionssysteme. Integrierte Betrachtung von Technologie, Organisation und Mitarbeitern in produzierenden Unternehmen

»» GiBWelt Gestaltung innovativer Baukasten- und Wertschöpfungsstrukturen Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Die verheerende Wirtschaftskrise und die in 2010 sprunghaft angestiegene Konjunktur haben gezeigt, dass Unternehmen heute in einem turbulenten Umfeld agieren, in dem sich eine Vielzahl unternehmensexterner und -interner Faktoren, wie z.B. die Kundennachfrage, dynamisch verändern. Das vom BMBF geförderte Projekt ProAktiW wird zeigen, dass eine Steigerung der Wandlungsfähigkeit zunehmend die nachhaltige und wirtschaftliche Herstellung auch einfacher Produkte am Standort Deutschland ermöglicht.

Der deutsche Maschinenbau zeichnet sich durch hochwertige und innovative Produkte mit großem Konfigurationsraum aus, um den Kunden die bestmögliche Lösung anbieten zu können. Zur weiteren Stärkung der Wettbewerbsposition stehen die Unternehmen vor der Herausforderung, ein breites Produktsortiment anzubieten und die entsprechenden Entwicklungsaufwände zu beherrschen und das bei gleichzeitig immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen. Besonders in der für den deutschen Maschinenbau sehr wichtigen Automobilbranche hat sich die Anzahl der angebotenen Modelle seit den 80er Jahren verdoppelt, während sich die Produktlebenszyklen von früher 10 auf heute 2 bis 3 Jahre verkürzt haben. Baukastensysteme befähigen zu einer effizienten Erstellung eines differenzierten Angebots und ermöglichen es ein variantenreiches Produktprogramm aus einer möglichst geringen Anzahl von Bausteinen zu erzeugen. Die Gestaltung eines solchen Produktbaukastens erfolgt derzeit jedoch noch häufig intuitiv und nicht anhand eines speziell hierfür ausgelegten Baukastenentwicklungsprozesses.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines wandlungsfähigen Produktionssystems (WPS) auf Einzelunternehmensebene durch die integrierte Betrachtung von Technologie, Organisation und Information. Am Beispiel von Produkten mit einem maßgeblichen Anteil an Stahl Verarbeitung und Montage soll die komplette innerbetriebliche Wertschöpfungskette abgebildet werden. Die Gestaltung des Zusammenspiels der einzelnen Elemente steht im Vordergrund: Es gilt, den richtigen Grad an Wandlungsfähigkeit und die Kombination von Lösungselementen zu bestimmen, um gezielt die entscheidenden „Engpässe“ weiterzuqualifizieren und schließlich das Gesamtsystem nivelliert wandlungsfähiger zu gestalten. Auf diese Weise sollen auch Einzelprodukte über wandlungsfähige Prozessketten effizient produziert werden können und Skaleneffekte in der Einzel- und Kleinserienfertigung nutzbar werden.

Abb. 2: Übergeordneter Baukastenentwicklungsprozess

Folgende Teilziele sind fixiert worden: »» Entwicklung und Gestaltung einer wandlungsfähigen Schweißzelle mit kooperierenden Robotern »» Softwaretechnische Simulation der vorrichtungslosen, wandlungsfähigen Schweißzelle »» Weiterbildung der Mitarbeiter zur Unterstützung der Wandlungsfahigkeit der Fertigung Herausragend an ProAktiW ist, dass die Elemente des WPS nicht nur in den einzelnen Anwenderunternehmen erprobt werden, sondern dass die Praktikabilität des Gesamtsystems in einem Demonstrator in einer realen Produktion auf dem neuen Campus der RWTH validiert wird.

Abb. 1: Definition eines Wandlungssystems zur Interdependenzanalyse

Um Produktbaukästen künftig entsprechend der beschriebenen Anforderungen gestalten zu können, zielt das vom BMBF geforderte Forschungsprojekt GiBWert auf die Konzeption und Detaillierung von konfigurierbaren Prozessbausteinen ab, welche die wesentlichen Planungsschritte eines Baukastenentwicklungsprozesses definieren. Dieser soll die konventionellen Produktentwicklungsprozesse (PEP) nicht ersetzen, sondern vielmehr eine übergeordnete Struktur zur systematischen Erzielung von Skaleneffekten bieten. Ergebnis des Forschungsprojekts ist ein Vorgehensmodell zur Gestaltung von Produktbaukästen in der Werkzeugmaschinenbranche.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Schuh, G.; Arnoscht, J.; Völker, M.: Qualification of global Tool Monitoring via viItual Platfonns in: Proceedings ofthe 44th CIRP International Conference on Manufacturing Systems, 30.05. - 03.06.2011 in Wisconsin-Madisonl USA, Hrsg.: Duffie, N.

»» Schuh, G.; Ziskoven, H.: Immer im Takt bleiben, in: FORM + Werkzeug 19 (2011), 4, ISSN 1439 - 667X, S. 16-17.

»» Schuh, G.; Arnoscht, J.; Bohl, A.; Kupke, D.; Vorspel-Rueter, M.; Nußbaum, C.; Quick, J.: Assessment of the scale-scope dilemma in production systems - An integrative approach, in: Production Engineering - Research and Development 5 (2011), 4, ISSN 0944-6524, S. 341-350.

»» Schuh, G.; Boos, W.; Kuhlmann, K.; Rittstieg, M.; Breme, M.; Hinsei, C.; Johann, H.; Schoof, U.; Stoffel, K.: Synchronisierung im industriellen Werkzeugbau, in: Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik - Aachener Perspektiven, Hrsg.: Brecher, C.; Klocke, F.; SclUllitt, R.; Schuh, G., Shaker Verlag Aachen 2011, ISBN 978-3-8440-0087-0, S. 373-405.

»» Schuh, G.; Stich, V.; Brosze, T.; Potente, T.; Jasinski, T.; Cuber, S.: Delivery reliability in machinery and equipment industry - A European study, in: International Journal of Applied Logistics (IJAL) 3 (2011),1, ISSN 19479573 ; 1947-9581 (Online), S. 20-38.

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Lehr- und Forschungsgebiet für Nichtlineare Dynamik der LaserFertigungsverfahren Forschungsschwerpunkt »» Anwendungen Wir entwickeln Konzepte zur Führung von Fertigungsverfahren (z.B. Schneiden, Schweißen, Bohren) mit Laserstrahlung und leiten daraus Anforderungen an zukünftige Lasersysteme und Maschinen 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 die nichtlineare Dynamik (NLD) der Laser-Fertigungsverfahren besser zu verstehen, werden die Lösungseigenschaften kontinuumsphysikalischer und molekulardynamischer 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. Abhängigkeiten zwischen Parametern (z.B. der Maschine) und Kriterien (z.B. Qualität: Riefen und Bart) werden mit Hilfe eines Metamodells beschrieben. »» 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, Discontinuous Galerkin Methoden und Wavelet-Basen zur effizienten und adaptiven Funktionsapproximation).

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. 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 wolfgang.schulz@ilt.fraunhofer.de www.nld.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Produktionstechnik, Grundlagen des Maschinenwesens »» Schwerpunkte Modellierung und Simulation, Integrative Produktion, Laser und Laseroptik, Trenn- und Fügeverfahren, Mikrotechnik »» Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 11 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 3 stud. Mitarbeiter/-innen

»» Lehre Die Module „Modellierung der Laserfertigungsverfahren“ (SS, 2/2) und „Modellreduktion und Simulation der Laserfertigungsverfahren“ (WS, 2/2) decken den Wahlpflichtbereich aus der Produktionstechnik, Entwicklung und Produktion sowie Automatisierungstechnik ab.

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Ausgewählte laufende Projekte »» Discontinuous Gelerkin Methode für Gassströmungen

»» Analyse des Ablaufs der antimikrobiellen photodynamischen Therapie

Bei vielen Laserfertigungsverfahren ist die Auslegung von Gasströmungen entscheidend für die erzielbare Qualität der Bearbeitungsprodukte. Die von der Gasströmung auf die Schmelze übertragenen Scherkräfte sind mitbestimmend für die Qualität und sind experimentell oft nicht messbar. Daher sind Simulationen ein wesentliches Werkzeug zur Auslegung von Gasströmungen. Die zugrundeliegenden physikalischen Aufgabenstellungen sind Multiskalenaufgaben, welche den Einsatz von angepassten numerischen Methoden erfordern. Ausgehend von den Anforderungen dieser Multiskalenaufgaben, hohe Genauigkeit und räumliche Auflösung in Grenzschichtbereichen bei gleichzeitig möglichst geringen Berechnungszeiten, wurde eine Discontinuous Galerkin Methode ausgewählt und implementiert. Discontinuous Galerkin Verfahren sind zwar mathematisch ausgereift, jedoch kommerziell nicht verfügbar. Die implementierte Discontinuous Galerkin Methode zeichnet sich durch vielfältige positive Eigenschaften aus. So erlaubt sie eine Berechnung der kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen auf unstrukturierten Gittern mit einer nahezu beliebigen polynomialen Ordnung und ist durch eine hybride Parallelisierung bestens für einen Einsatz auf HPC-Systemen geeignet. Bei einer Berechnung mit 1024 Prozessorkernen wurde ein Speedup von 800 gegenüber einem einzelnen Kern erzielt. Bei dieser Berechnung konnten die Scherkräften in einer thermischer Grenzschichten entlang der Schneidfront und die Auswirkung der dynamischen Rückwirkung in die Gasdüse innerhalb von drei Tagen berechnet werden.

Die antimikrobielle Photodynamische Therapie (aPDT) ist ein in der Praxis der Parodontitisbehandlung eingesetztes Verfahren zur Abtötung von Keimen. Dennoch wirft die Diskrepanz zwischen den erfolgreichen in-vitro Studien und den geringeren Erfolg bei klinischen Studien die Notwendigkeit auf, die bei der aPDT ablaufenden Prozesse tiefgehend zu untersuchen. Durch die Analyse der chemischen Reaktionen und physikalischen Interaktionen zwischen den an dem Prozess beteiligten Stoffen, werden die bedeutendsten Einflussgrößen identifiziert. Die Analyse der optochemischen Prozesse erfolgt mittels eines Systems von sechs gekoppelten gewöhnlichen Differentialgleichungen. Das Lösungsverhalten des Gleichungssystems wird untersucht, um Parameterbereiche zu finden, in denen die Lösung gegenüber Schwankungen patientenabhängiger Parameter wenig sensibel ist. Ein zusätzliches Kriterium für die erfolgreiche Behandlung ist eine kleine Konzentration der Bakterien nach möglichst kurzer Behandlungszeit. Mit der Analyse des Gleichungssystems konnte im Parameterraum eine Schwelle aufgefunden werden, mit deren Überschreiten der Erfolg der Behandlung superlinear anwächst. Eine Möglichkeit zur Entwicklung eines Zusammenhangs von geeigneten Messsignalen und dem Therapieerfolg ist damit gegeben und wird derzeit detaillierter untersucht. Die Analyse liefert Aussagen über eine günstige Wahl der Behandlungsparameter, wobei das Behandlungsergebnis robust gegen Parameterschwankungen ist.

Abb. 1: Hoch aufgelöster Dichtegradient in einer Schneidgasdüse

Mithilfe der dargestellten Untersuchungen wird das langfristige Ziel einer zunehmend modellgestützten Therapie verfolgt. Neben der Parodontitisbehandlung bieten die Tumortherapie und die Sterilisierung von Wasser attraktive Anwendungsmöglichkeiten. Abb. 2: Behandlungszeit in Abhängigkeit der Konzentrationen von Sauerstoff und Katalysator sowie der Photonendichte

Mit dem neuen Berechnungsverfahren können komplexe Fragestellungen zur Gasströmung bei der Lasermaterialbearbeitung mit hoher Auflösung in kurzer Rechenzeit simuliert werden. Konkrete Anwendungen sind das Auslegen von Gasströmungen beim Schneiden, Schweißen und Bohren mit Laserstrahlung.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» D. S. Ivanov, W. Shultz (Schulz): MD-based modeling of swift heavy ion beam nanostructuring of dielectrics 8th EBSA European Biophysics Congress, August 23rd-27th 2011, Budapest, Hungary. Eur. Biophys. J. 40 (Suppl. 1), P-266, p. 107, 2011.

»» U. Thombansen, J. Schüttler, T. Auerbach [u.a.]: Model-based self-optimization for manufacturing systems Proc. of the 2011 Int. Conf. on Concurrent Enterprising (ICE 2011). Eds.: K.-D. Thoben [u.a.] Piscataway, NJ : IEEE 2011 9 S.

»» G. J. Schmitz, S. Benke, G. Laschet, M. Apel, U. Prahl, P. Fayek, S. Konovalov, J. Rudnizki, H. Quade, S. Freyberger, T. Henke, M. Bambach, E. A. Rossiter, U. Jansen, U. Eppelt: Towards integrative computational materials engineering of steel components Prod. Eng. 5, Nr. 4, 463-473, 2011.

»» W. Schulz et al.: Virtuelle Produktionssysteme In: Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer, Hrsg: C. Brecher: Springer, 2011.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 311.000 €

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Datengetriebene Modellierung in Computational Engineering Sciences Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schuppert

AICES - Aachen Institute for advanced Studies in Computational Engineering Sciences Schinkelstr. 2 52062 Aachen Tel.: +49 241/80-99144 schuppert@aices.rwth-aachen.de www.aices.rwth-aachen.de

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

»» Studienrichtungen Computational Engineering Sciences, Biomedical Engineering, Biotechnology »» Schwerpunkte Hybridmodellierung, Systembiomedizin, Bioinformatik »» Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 5 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 0 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» Stem Cell Factory

»» Multiskalenmodellierung für die Prognose der Medikamentenwirksamkeit in Tumoren

Neueste 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.

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. 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.

Im Projekt StemCellFactory wurden in 2011 Genexpressionsmuster von Zellen identifizier, die eine Qualitätsbeurteilung von reprogramierten Stammzellen ohne die bisher üblichen Tierversuche erlauben.

»» Reengineering von Signaltransduktionsnetzwerken Zusammen mit einer Gruppe am MIT und der TU Athen wurden in Hochdurchsatzexperimenten die Aktivierung von Proteinen durch Kombinationen aus Stimuli und Inhibitoren gemessen. Am AICES wurde dazu ein neues Netzwerk-Reengineeringverfahren entwickelt, das die Rekonstruktion von funktionalen Signaltransduktionsnetzen aus solchen kombinatorischen Daten erlaubt. Dieses Verfahren wurde weiterenwickelt für die Analyse von Proteinexpressionsdaten um die Wirkungsmechanismen einer neuen Klasse von Krebsmedikamenten, den Tyrosinkinaseinhibitoren, an einer speziellen Art von Leukämien (CML) zu identifziieren.

In 2011 konnte ein neuer Indikator für die Zuverlässigkeit und Stabilität von Expressionsbasierten Biomarkern entwickelt werden. Er basiert auf der Beobachtung, dass genomweite Muster ein entscheidender Indikator für wichtige biologische Veränderungen sind. Für die Quantifizierung genomweiter Daten wurde mit dem Information Ratio ein neues Qualitätsmass eingeführt und gezeigt, dass sich hiermit die Zuverlässigkeit von klinischen Gendiagnostikdaten quantifizieren lässt.

Dieses Projekt wurde zusammen mit ETH Zürich und UK Aachen durchgeführt.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Müller, F.-J., Schuppert, A.: Few inputs can reprogram biological networks, Nature 478, doi:10.1038/nature10543.

»» Schuppert A.: Efficient reengineering of meso-scale topologies for functional networks in biomedical applications. J Math Ind. 2011; 1:6 doi:10.1186/2190-5983-1-6.

»» Schneckener, S., Arden, N., Schuppert, A.: Quantifying stability in gene list ranking across microarray derived clinical biomarkers, BMC Medical Genomics 2011, 4:73 doi:10.1186/1755-8794-4-73.

»» Schuldt, B. M., Müller, F.-J., Schuppert, A.: (2012).What Can Networks Do for You? New Frontiers of Network Analysis in Systems Biology. A. Ma‘ayan and B. D. MacArthur, Springer Netherlands: 173-194.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 194.000 €

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Verfahren höherer Ordnung in der Mehrphasenströmungssimulation Forschungsschwerpunkt Ein Schwerpunkt liegt auf numerischer Simulation in der Kontinuumsmechanik. Anwendungen finden sich z.B. in der Strömungsmechanik, wo der Forschungsschwerpunkt auf Methoden höherer Ordnung, d.h. Methoden sehr hoher Genauigkeit, liegt. Die Entwicklung solcher Verfahren gestaltet sich gerade bei kompressiblen Strömungen und anderen Prozessen mit geringer Regularität besonders schwierig. Es werden einerseits neuartige Diskretisierungsmethoden untersucht, die es ermöglichen solche Probleme effizienter zu lösen. Des Weiteren werden in diesem Zusammenhang automatische Fehlerschätzer untersucht, mit deren Hilfe man die Güte der Simulation abschätzen kann. Dies ist gerade bei nichtlinearen Gleichungen enorm schwierig. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt bildet die Systembiologie. Mit mathematischen Modellen untersuchen wir die Auswirkungen topologischer Parameter auf die typische Reaktion eines biologischen Systems auf Perturbation, wie z.B. durch toxischen Stress und/oder medikamentöse Behandlung. 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.

Juniorprofessor Georg May, Ph.D. AICES - Aachen Institute for Advanced Study in Computational Engineering Science Verfahren höherer Ordnung in der Mehrphasenströmungssimulation Schinkelstr. 2 52062 Aachen Tel.: +49 241/80-99133 Fax: +49 241/80-628498 may@aices.rwth-aachen.de www.aices.rwth-aachen.de/people/may

»» Studienrichtungen Computational Engineering Science, Simulation Sciences »» Schwerpunkte Numerische Methoden, Fehlerschätzung, Computational Biology »» Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 1 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 0 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» 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.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Balan, A. May, G. Schöberl, J.: “A Stable High-Order Spectral Difference Method for Hyperbolic Conservation Laws on Triangular Elements”, J. Comput. Phys. 231(5), 2359–2375, 2012.

»» Jameson, A., May, G.: “Efficient multi-level hp-solution methods”. In: Adaptive high-order methods in Computational Fluid (Wang, Z. J., ed.). World Scientific Publishing, ISBN 9814313181, March 2011.

»» May, G.: “On the Connection Between the Spectral Difference Method and the Discontinuous Galerkin Method”, Commun. Comput. Phys. 4(9), 1071-1080, 2011.

»» Iacono, F., May, G., Müller, G. and Schäfer, R.: “A Discontinuous Galerkin Discretization with Multiwavelet-Based Grid Adaptation for Compressible Flows”, AIAA Paper 11-0200, 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Jan 4-7, 2011.

»» Schütz, J., Woopen, M., May, G.: „A Hybridized DG/Mixed Scheme for Nonlinear Advection-Diffusion Systems, Including the Compressible Navier-Stokes Equations“, AIAA Paper 12-0729, 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Jan 9-12, 2012.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 91.000 €

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Aachener Verfahrenstechnik Enzymprozesstechnik Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Antje C. Spieß AVT.EPT - Aachener Verfahrenstechnik Enzymprozesstechnik Worringerweg 1 52056 Aachen Tel.: +49 241/80-23307 Fax: +49 241/80-23301 secretary.ept@avt.rwth-aachen.de www.avt.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Verfahrenstechnik »» Schwerpunkte Methodischer Schwerpunkt im Bereich Reaktionskinetik von Enzymreaktionen für Feinchemie, nachwachsende Rohstoffe und Polymere »» Personal 1 Professorin, 0 Obering./-innen, 10 wiss. Mitarbeiter/-innen, 2 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 4 stud. Mitarbeiter/-innen

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 sowie 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, erforscht.

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Ausgewählte laufende Projekte »» Interaktive Polymere in der Enzymkatalyse Die biotechnologische Herstellung enantiomerenreiner Substanzen als chirale Bausteine oder Feinchemikalien für die chemische und pharmazeutische Industrie hat in den vergangen Jahren zunehmend an Interesse gewonnen. Sie sind häufig Produkte einer ganzen Reihe biokatalytischer Reaktionen, die in komplexen Reaktionsnetzwerken stattfinden. Da für die biotechnologische Synthese eine maximale Produktivität im Vordergrund steht, ist eine Optimierung der Kinetik innerhalb des Reaktionsnetzwerks oder die Stabilisierung der beteiligten Enzyme notwendig. In Zusammenarbeit mit dem DWI an der RWTH Aachen e.V. – Interactive Material Research wird hierfür der Einsatz interaktiver Polymere untersucht, die mit einer Veränderung ihrer physikalischen Struktur auf externe Stimuli wie Temperaturerhöhung oder pH-Veränderungen reversibel reagieren. Durch die Strukturveränderung der Polymere können Enzymeigenschaften modifiziert werden, um beispielsweise stabilisierend oder aktivitätssteuernd zu wirken (Abbildung 1). Insbesondere für lineare enzymatische Reaktionsnetzwerke kann der Einsatz von interaktiven Polymer-Enzym-Konjugaten (PEK) zur Steuerung und Optimierung der Syntheserate eingesetzt werden.

Ein Hindernis der industriellen Biokatalyse ist die geringe Löslichkeit vieler Substrate und/oder Produkte in Wasser. Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Problems ist der Einsatz von Zweiphasensystemen, bei denen die organische Phase als Substrat- und Produktreservoir genutzt wird, während sich der Biokatalysator in der wässrigen Phase befindet. Responsive Mikrogele können ähnlich wie Emulgatoren zur Stabilisierung solcher O/WEmulsionen eingesetzt werden und bieten den Vorteil, durch externe Stimuli ein Brechen der Emulsion und somit eine einfache Produktaufarbeitung zu ermöglichen. Zur kontinuierlichen Verfolgung des Reaktionsprozesses im Zweiphasensystem wird ein Online-Analyse-Verfahren mit Hilfe der mittleren Infrarotspektroskopie (MIR) entwickelt. Dazu werden die Konzentrationen beider Substrate sowie beider Produkte während des gesamten Reaktionszeitraums gemessen werden.Zur Bestimmung der Tröpfchengrößenverteilung in O/W-Emulsionen soll eine Analysemethode mittels NIR-Spektroskopie entwickelt werden (Abbildung 2).

Abb. 1

Abb. 2

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Kazuhito Nagayama, Antje C. Spiess, Jochen Büchs: Continuous stereoselective reduction catalyzed by thermophilic alcohol dehydrogenase in a gas phase bioreactor, Journal of Chemical Engineering of Japan 44 (12), 2011, 995-998.

»» Robert Huber, Helene Wulfhorst, Lukas Maksym, Regina Stehr, Martin Pöhnlein, Gernot Jäger, Antje C. Spiess, Jochen Büchs: Screening for enzyme activity in turbid suspensions with scattered light, Biotechnology Progress, 6 (1), 2011, 74-85.

»» Gernot Jäger, Helene Wulfhorst, Erik U. Zeithammel, Efthimia Elinidou, Antje C. Spiess, Jochen Büchs: Screening of cellulases for biofuel production: Online monitoring of the enzymatic hydrolysis of insoluble cellulose using high-throughput scattered light detection, Biotechnology Journal, 6 (11), 2011, 1419.

»» Philip Engel, Benjamin Bonhage, Douglas Pernik, Roberto Rinaldi, Patrick Schmidt, Helene Wulfhorst, Antje C. Spiess: Population balance modeling of homogeneous and heterogeneous cellulose hydrolysis, Computer-Aided Chemical Engineering, 29 Pt. B, 21st European Symposium on Computer Aided Process Engineering, 2011, 1316-1320.

»» Gernot Jäger, Michele Girfoglio, Florian Dollo, Roberto Rinaldi, Hans Bongard, Ulrich Commandeur, Rainer Fischer, Antje C. Spiess, Jochen Büchs: Screening of cellulases for biofuel production: Online monitoring of the enzymatic hydrolysis of insoluble cellulose using high-throughput scattered light detection, Biotechnology for Biofuels 4, 2011, 33.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 176.000 €

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Lehrstuhl für Brennstoffzellen

Forschungsschwerpunkt Das IEK-3 leistet Forschungs- und Entwicklungsbeiträge für die Nutzung der Brennstoffzellen und Energiespeichertechnologien in Anwendungen des mobilen und stationären Sektors. In enger Zusammenarbeit von grundlegender Forschung und anwendungsorientierter Entwicklung treibt das IEK-3 die Marktfähigkeit von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren voran.

»» Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) »» Keramische Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) »» Reformierung von Mitteldestillaten zur Wasserstoffversorgung von Brennstoffzellen »» Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC) »» CO2-Abtrennung (CCS) für fossile Kraftwerke »» Wasserelektrolyse und Wasserstoffinfrastrukturen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Stolten Forschungszentrum Jülich Institut für Energie- und Klimaforschung IEK-3 Elektrochemische Verfahrenstechnik Lehrstuhl für Brennstoffzellen Wilhelm-Johnen-Straße 52425 Jülich Tel.: +49 2461/61-3076 Fax: +49 2461/61-3385 d.stolten@fz-juelich.de www.fz-juelich.de/iek/iek-3/

»» Studienrichtungen Grundlagen und Technik der Brennstoffzellen »» Schwerpunkte Erforschung und Entwicklung von Brennstoffzellen »» Personal 3 Professoren, 7 Obering./-innen, 48 wiss. Mitarbeiter/-innen, 46 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 15 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» Deutsch-Kanadische Brennstoffzellen-Kooperation Verbesserung der Leistung und Alterungsstabilität von DirektmethanolBrennstoffzellen der kW-Klasse

»» 3D-Analyse Modellierung und Simulation der Mikrostruktur und Transportprozesse in faserbasierten porösen Werkstoffen

Im Rahmen des Vorhabens, das in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Darmstadt, dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Freiburg), dem NRC Institute for Chemical Process and Environmental Technology (Ottawa/Kanada) und der University of Victoria (Victoria/Kanada) durchgeführt wird, sollen die Langzeitstabilität und die Performance von Membran-Elektroden-Einheiten (engl. Abk.: MEA) für DirektmethanolBrennstoffzellen der kW-Klasse verbessert werden.

In diesem Verbundprojekt werden stochastische und numerische Methoden der angewandten Mathematik entwickelt und miteinander kombiniert, um anspruchsvolle Probleme der industriellen Materialforschung zu untersuchen.

Die Arbeiten im Forschungszentrum Jülich konzentrieren sich dabei auf die Modellierung orts- und zeitaufgelöster Prozesse, die ortsaufgelöste Messung der Alterungseffekte in MEAs und Stacks und die Optimierung der MEA auf Basis neuartiger Membranen. Erste Untersuchungen haben gezeigt, dass der Hauptgrund für die Alterung von DMFC-Stacks in der Korrosion von Ruthenium liegt. Daher zielt das erste Thema auf ein Verständnis des Mechanismus der Rutheniumauflösung und die Evaluierung von Betriebsbedingungen, bei denen die Korrosionseffekte minimal sind. Dabei spielen räumliche und zeitliche Inhomogenitäten der Stromverteilung im Stack eine wichtige Rolle. Die Untersuchung des Einflusses solcher Inhomogenitäten auf die Alterungsstabilität wurde bislang noch nicht durchgeführt und stellt ein völlig neues Forschungsfeld dar. Das Ziel des zweiten Themas ist vor allem die Entwicklung von Membran-Elektroden-Einheiten aus neuartigen Membranen mit stark reduziertem Methanoltransport. Dies führt bei gleicher Leistung der DMFC zu einer Erhöhung der Methanolnutzungsgrades von derzeit etwa 80 auf über 90 % und damit zu einer signifikanten Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades. Die Anbindung von kompatiblen Katalysatorschichten, die an die Eigenschaften des Membranmaterials adaptiert sind, stellt hierbei eine große Herausforderung dar.

Im FZ Jülich werden numerische Transportmodelle für faserbasierte poröse Werkstoffe entwickelt. Das Ergebnis dieser ganzheitlichen mathematischen Modellierung ist die Entwicklung und Implementierung effzienter Simulationsalgorithmen für virtuelle Szenarienanalysen auf Supercomputern des FZ Jülich, um gleichzeitig 3D Materialstruktur und Stofftransport in großen Gebieten hochaufgelöst analysieren zu können. Die Ergebnisse dieses virtuellen Materialdesigns sollen exemplarisch bei der Untersuchung der von der Fa. FFCCT hergestellten Gasdiffusionslagen (GDL) vom Vlies-Typ eingesetzt und für deren Verbesserung als Bauteil in Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen genutzt werden. Abb. 2: Ergebnis einer Lattice Boltzmann Transportsimulation zur Strömungsverteilung durch eine faserbasierte, poröse Gasdiffusionsschicht (GDL) für Brennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembran (PEM)

Abb. 1: Segmentierte Zelle (links) zur Messung der Strom-, Impedanzund Ladungsverteilungen

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»» ADELHEID Aus dem Labor heraus in die Lüfte

»» ZeuS-III Zell- und Stackentwicklung

In 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.

Im Verbundprojekt Zell- und Stackentwicklung (ZeuS III) verfolgen die industriellen Partner Elring-Klinger, BMW, CeramTec und ThyssenKrupp das Ziel eines funktionssicheren SOFC-Leichtbaustacks für den Einsatz in ein Bordstrom-System (auxiliary power unit; APU).

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 zu Verfügung. Ergänzt wird das Konsortium durch den Ventilhersteller GSR Ventiltechnik und den Transportkältemaschinenhersteller FRIGOBLOCK Grosskopf.

Zeitparallel zu den in den Firmen stattfindenden Industrialisierungsprozessen werden in enger Kooperation zwischen Industrie und den F&E-Partnern (Forschungszentrum Jülich, DLR/Stuttgart, Universität Karlsruhe) für die noch offenen Grundlagenthemen Lösungen erarbeitet.

Wozu werden Reformer aber benötigt? Die steigende Nachfrage nach elektrischer Leistung verlangt in der Konsequenz auch nach einer leistungsfähigeren Stromversorgung. Brennstoffzellen können elektrischen Strom in einem weiten Leistungsbereich mit extrem geringem Schadstoffausstoß und hohem Wirkungsgrad erzeugen. In Verbindung mit vorteilhaften technischen Merkmalen wie Modularität, leisem Betrieb, günstigem Teillastverhalten sowie potentiell langer Lebensdauer sind sie daher ein wichtiges Element der künftigen Energiewirtschaft. Dabei ist es für eine einfache Handhabung wichtig, diejenigen Kraftstoffe einzusetzen, die auch für den Antrieb verwendet werden. Hierbei kommt der Reformer ins Spiel, der aus Kraftstoffen wie Diesel und Kerosin ein wasserstoffreiches Brenngas für Brennstoffzellen bereitstellt.

Abb. 4: Einzelteile (links) und Assemblierung (rechts) eines thermisch zyklierbaren, schnellstartfähigen SOFC-Stack im Kassettendesign mit metallischen Interkonnektoren

Im Forschungszentrum Jülich stehen die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu den Themen Steigerung der Leistungsdichte der Zellen im Stack, Stack-Design und –Erprobung sowie Fügeverfahren im Vordergrund.

Abb. 3: Reformer aus innovativer, industrieller Fertigung für den Brennstoffzelleneinsatz

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Maier W., Arlt T., Wannek C., Wippermann K., Manke I., Lehnert W., Stolten D.: Investigation on HT-PEFCs by Means of Synchrotron X-ray Radiography and Electrochemical Impedance Spectroscopy ECS Transactions, 41 (2011) 1, 1413-1422.

»» Blum L., Groß S.M., Malzbender J., Pabst U., Peksen M., Peters R., Vinke I.C.: Investigation of solid oxide fuel cell sealing behavior under stack relevant conditions at Forschungszentrum Jülich Journal of Power Sources 196 (2011) 17, 7175 – 7181.

»» Wilhelm J., Janßen H., Mergel J., Stolten D.: Energy Storage Characterization for a Direct Methanol Fuel Cell Hybrid System Journal of Power Sources, 196 (2011) 12, 5299 – 5308.

»» Nazarko J., Otto A., Riensche E., Weber M., Blum L., Stolten D.: Einfluss der Betriebsparameter der CO2-Abtrennung mittels MEA-Wäsche auf den Regenerationsenergiebedarf. Kraftwerkstechnik, Band 3, Neuruppin, TK Verlag Karl Thome-Kozmiensky (2011), ISBN 978-3-935317-72-6, 183 – 198.

»» Göll S., Samsun R.C., Peters R.: Analysis and optimization of SOFC-based auxiliary power units using a generic zero-dimensional fuel cell model Journal of Power Sources 196 (2011) 22, 9500 - 9509.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 3.361.000 €

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Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme Forschungsschwerpunkt 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 Gesamtwiderstandes. 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.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Eike Stumpf ILR - Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme Wüllnerstraße 7 52062 Aachen Tel.: +49 241/80-96801 Fax: +49 241/80-92233 sekretariat@ilr.rwth-aachen.de www.ilr.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Verkehrstechnik, Energietechnik, Grundlagen des Maschinenwesens, Konstruktion und Entwicklung »» Schwerpunkte Entwurf innovativer Flugzeugkonfigurationen, Aeroakustik von Luftfahrzeugen, Optimierung des Luftverkehrs, angewandte Strömungsmechanik »» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 10 wiss. Mitarbeiter/-innen, 6 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 14 stud. Mitarbeiter/-innen

»» 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)

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Ausgewählte laufende Projekte »» Raketenheckströmungen

»» ATLA – Air Transport Vehicle Life Cycle Analysis

Die Aerodynamik moderner Raumtransportsysteme wird entscheidend von der Heckströmung beeinflusst. Durch die Interaktion zwischen Außenströmung, Rezirkulation und Schubstrahl entstehen Gebiete mit hoher zeitlicher und räumlicher Dynamik. Das ILR ergänzt die Untersuchungen im SFB-TR 40 durch experimentelle Windkanalforschung bei Unterschallanströmung (Ma=0.2). Hierbei werden verschiedene generische Konfigurationen (stumpfes Heck, Düsenattrappe und Ma=2.5-Überschallschubstrahl) systematisch untersucht und verglichen. Seitens der Messtechnik kommen hierbei Particle Image Velocimetry (PIV), Schlierenverfahren, dynamische und statische Druckmessungen sowie Hitzdrahtanemometrie zum Einsatz.

Eine Herausforderung der Luftfahrtbranche ist es, klimafreundlicher zu werden und einen Beitrag zur Nachhaltigkeit zu leisten. Um neue Technologien in der Luftfahrt hinsichtlich der Nachhaltigkeit zu bewerten, ist eine Betrachtung des gesamten Flugzeuglebenszyklus notwendig. Dabei sind nicht nur technische und wirtschaftliche Aspekte zu prüfen, sondern auch ökologische und sozio-ökonomische Auswirkungen. Die ganzheitliche Betrachtung fordert dabei Kompetenzen in technischen, wirtschaftlichen und sozialen Teildisziplinen.

So konnte z.B. mit Hilfe der innovativen tomographischen PIV die dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung in einem Messvolumen bestimmt werden. Dies ermöglicht wiederum die Anwendung von gradientenbasierten Wirbelkriterien, sowie die instantane und statistische Erfassung einer Wirbelpopulation in den Scherschichten der Heckströmung. In guter Übereinstimmung mit numerischen Ergebnissen aus anderen Teilprojekten des SFB-TR 40 (z.B. Detached-Eddy Simulationen) konnte so eine Reorganisation der Wirbel nachgewiesen werden. Während die frühen Stadien der Scherschicht von tangentialen Strukturen mit durch die Scherung vorgegebenem Drehsinn geprägt sind, erfolgt stromab ein schrittweiser Zerfall zu dreidimensionalen Strukturen ohne bevorzugte Rotationsrichtung. Abb. 1

Vor diesem Hintergrund forschen im Rahmen des interdisziplinären Boost Fund Projekts ATLA sechs Partnerinstitute der RWTH aus drei verschiedenen Fachbereichen unter der Leitung des ILR gemeinsam am Thema der Lebenszyklusanalyse eines Lufttransportsystems. Das Projekt wird gefördert aus den Mitteln der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder. Ziel ist die Entwicklung einer Methodik, die eine Bewertung des Lebenszyklus anhand der drei Säulen der Nachhaltigkeit (Ökonomie, Ökologie und Soziales) ermöglicht. Hierfür werden für alle vier Phasen des Flugzeuglebenszyklus (Entwurf und Entwicklung, Produktion, Betrieb, Verwertung und Entsorgung) zunächst die Kosten, der Energie- und Ressourcenverbrauch sowie der Emissionsausstoß in Abhängigkeit der Flugzeugentwurfsparameter ermittelt. Weiterhin findet eine volkswirtschaftliche Analyse statt, um die externen Kosten dem erbrachten gesellschaftlichen Nutzen gegenüberzustellen. Aufgrund der Interdisziplinarität des Projekts besteht die Bewertungsmethodik aus einzelnen Modulen, die über eine Integrationsplattform miteinander verknüpft sind. Dies ermöglicht eine automatisierte Durchführung von Parameterstudien und Optimierungen. Anwendungsgebiete der entwickelten Methodik sind die Unterstützung von Technologieentscheidungen, die Antizipation erwarteter Klimaschutzgebühren und das Erstellen von Handlungsempfehlungen für Flugzeughersteller und -betreiber sowie für die Politik.

Abb. 2

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Wolf, C. C.; Hörnschemeyer, R.: Tomographic PIV Measurements in the Shear Layer of a Bluff-Body Wake Flow. 41st AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, Honolulu, Hawaii, USA, 27.-30. Juni 2011. AIAA Paper 2011-3084.

»» Wolf, C. C.; You, Y.; Hörnschemeyer, R.; Lüdeke, H.; Hannemann, V.: Base-Flow Sensitivity of a Generic Rocket Forebody towards Small Freestream Angles. EUCASS Conference, St. Petersburg, Russian Federation, 4.-8. Juli 2011. Auch: EUCASS Flight Physics Book Vol. 5.

»» Franz, Katharina; Hörnschemeyer, Ralf; Große Böckmann, Markus; Schmitt, Robert; Pollmanns, Judith; Feldhusen, Jörg; Büker, Kerstin; Reichmuth, Johannes; Petzoldt, Katja; Schneider, Christoph; Ewert, Arthur; Fromhold-Eisebith, Martina: A methodical approach to assess the aircraft life cycle. In: Optimizing value in air transport & operatiosn : 2nd International Air Transport and Operations Symposium (ATOS 2011); Delft 28-29 March 2011.

»» Lammering, Tim; Anton, Eckhard; Risse, Kristof; Franz, Katharina; Hörnschemeyer, Ralf: Influence of Off-Design Performance on the Design of Aircraft with Laminar Flow Technology. In: 11th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations (ATIO) Conference, 2011, AIAA-2011-7017.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 377.000 €

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Institut für Allgemeine Mechanik

Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Weichert IAM - Institut für Allgemeine Mechanik Templergraben 64 52056 Aachen Tel.: +49 241/80-94600 Fax: +49 241/80-92231 weichert@iam.rwth-aachen.de www.iam.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen sowie 15 weitere Studiengänge »» Schwerpunkte Statik, Festigkeitslehre, Dynamik, Strukturmechanik, Biomechanik, Grenzlastanalyse, Smart Structures, Verbundwerkstoffe »» Personal 4 Professoren, 1 Obering./-innen, 16 wiss. Mitarbeiter/-innen, 14 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 150 stud. Mitarbeiter/-innen

Methodenentwicklung und mehrachsige experimentelle Untersuchung zur Bestimmung von: »» Belastungsgrenzen von Strukturen und Werkstoffen »» Finite Elemente »» Berechnungen von Optimierungsproblemen »» technische Anwendungen im Maschinenwesen und Druckbehälterbau. Modellierung von Verbundwerkstoffen: »» Theoretische und numerische Homogenisierungstechniken »» Versagen von Verbundwerkstoffen 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 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

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Ausgewählte laufende Projekte »» Biomechanik

»» Strukturdynamik

Die Forschungsgruppe Biomechanik befasst sich mit der theoretischen Modellierung, numerischen Simulation und experimentellen Validierung von regenerativen Weichteilmaterialien. Hierbei handelt es sich um Knorpel und Knorpelersatz sowie um Bandscheiben oder andere kollagenhaltige Weichteilmaterialien wie beispielsweise die menschliche Bruchmembran im Auge. Bei diesen Materialien ist die Entwicklung ihrer mechanischen und biologischen Eigenschaften abhängig von der mechanischen Beanspruchung. Ziel der Studien ist es daher diese Abhängigkeit zu verstehen und gezielt zur Behebung von Gewebeschäden und zur Entwicklung von Gewebeersatzmaterialien einzusetzen.

Innerhalb dieses Forschungszweiges werden neue Material- und Strukturmodelle für stoßwellenbelastete, dünnwandige Strukturen entwickelt. Hierbei handelt es sich um geometrisch und physikalisch nichtlineare Strukturverformungen unter Berücksichtigung nicht-lokaler Materialschädigung. Hierdurch werden Lokalisierungsprobleme bei Entfestigungen vermieden, so dass in Finite Elemente Simulationen keine Netzabhängigkeiten auftreten. Außerdem kann durch die realistische Modellierung von Entfestigungen die Materialschädigungsentwicklung bis hin zum Strukturversagen präziser vorhergesagt werden, als bei herkömmlichen lokalen Schädigungsmodellen. In der vorgeschlagenen Strukturtheorie wird die nicht-lokale Schädigung als zusätzlicher Freiheitsgrad in die aufgenommen. Als Konsequenz dieser Modellierung entstehen zusätzliche Materialparameter, die durch Experimente ermitttelt werden müssen. Hierzu werden spezielle Mikrobiege- und -zugversuche durchgeführt sowie Versuche in Stoßwellenrohren und an makroskopischen Zugproben. Durch die Vielzahl von Messungen in einem breiten Intervall von Dehnraten gelingt es alle erforderlichen Materialparameter zu identifizieren. In Abb. 4 ist ein Stoßwellenrohr für Experimente mit Platten bis zu einem Durchmesser von 553mm dargestellt.

Abb.1

Zur Modellierung der komplexen mechanischen Zusammenhänge der menschlichen Bandscheibe werden Geometrien, die aus CT-Daten gewonnen werden, in Finite Elemente Modelle, siehe Abb. 1, übertragen. Damit die mechanischen Randbedingungen sowie die für die Stoffwechselversorgung wichtigen Eigenschaften in der numerischen Simulation erhalten bleiben, wird im Finite Elemente Modell ein Bewegungssegment, bestehend aus zwei Wirbeln und einer Bandscheibe dargestellt, siehe Abb. 2. Für die korrekte Materialbeschreibung ist ein Modell erforderlich, dass die anisotropen Materialeigenschaften erfasst. Hierzu zählen neben der Elastizität auch die Dehnratenabhängigkeit des Materials sowie die Diffusion, wodurch der Nährstofftransport gewährleistet wird.

Abb. 4

Abb. 2

Zur experimentellen Überprüfung der Finite Elemente Simulationen und zur Materialparameteridentifikation werden Bioreaktoren entwickelt, in dem Bewegungssegmente unter Kultivierungsbedingungen mechanisch stimuliert werden (Abb. 3). Während des mehrwöchigen Versuchs können Kräfte und Torsionsmomente sowie Verschiebungen und Verdrehungen gemessen werden. Mittels biologischer Auswertungen können Stoffwechselvorgänge überwacht werden. Diese experimentellen Befunde können dann mit den numerischen Ergebnissen verglichen werden. Modell- und Bioreaktorentwicklungen dieser Art werden ebenso mit den anderen, oben erwähnten Materialien betrieben. Abb. 3

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Strampe M., Stoffel M., Weichert D.: Experimentelle und numerische Untersuchung des biomechanischen Verhaltens von strukturell stabilen / instabilen Bewegungssegmenten der Schaf-Wirbelsäule, Proc. of 1st Int. Symposium on Numerical Simulation in Orthopaedic Biomechanics, University of Rostock, Eds.: D. Kluess, W. Mittelmeier, R. Bader, Shaker-Verlag, 73-80, 2011.

»» 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.

»» Krasovsky V., Marchenko V., Schmidt R.: Deformation and buckling of axially compressed cylindrcal shells with local loads in numerical simulation and experiments, Thin-Walled Structures 19, 576-580, 2011.

»» 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.

»» Andrianov I., Danishevs’kyy V., Kalamkarov A.: Asymptotic analysis of perforated plates and membranes. Part 1: Static problems for small holes, Part 2: Static and dynamic problems for large holes, International Journal of Solids and Structures 49, 298-317, 2012.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 336.000 €

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Aachener Verfahrenstechnik Chemische Verfahrenstechnik Forschungsschwerpunkt 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:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling AVT.CVT - Aachener Verfahrenstechnik Chemische Verfahrenstechnik Turmstraße 46 52056 Aachen

»» 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 und anderer Membranverfahren. 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.

Tel.: +49 241/80-95470 Fax: +49 241/80-92252 secretary.cvt@avt.rwth-aachen.de www.avt.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Verfahrenstechnik, Umweltingenieurwissenschaften »» Schwerpunkte Membrantechnik, Umweltschutz, Chemische Verfahrenstechnik »» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 32 wiss. Mitarbeiter/-innen, 15 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 58 stud. Mitarbeiter/-innen

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.

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Ausgewählte laufende Projekte »» TyGRe High added value materials from waste Tyre Gasification Residues Die Altreifenverwertung stellt ein nicht vernachlässigbares Problem in der Abfallwirtschaftsplanung der Europäischen Gemeinschaft dar. Zwar existieren vielfältige Bemühungen, Altreifen zu recyceln, dennoch wird immer noch ein erheblicher Anteil (ca. 23 %) auf Deponien gelagert. Pyrolyse und Vergasung sind vielversprechende Verfahren zur Reifenverwertung; beide Prozesse erzeugen einen Gasstrom, der als Brennstoff oder für chemische Reaktionen verwendet werden kann. Dennoch haben Pilotanlagen und industriellen Anwendungen gezeigt, dass der Gesamtprozess ohne eine wertvolle Verwendung des festen Nebenprodukts unwirtschaftlich und damit nicht zukunftsfähig ist. Bei der Pyrolyse und Vergasung von Altreifen entsteht neben dem wasserstoffreichen Synthesegas ein kohlenstoffhaltiger Feststoff, der in der Vergangenheit als Verstärkungsfüllstoff in neuen Reifen oder als Aktivkohle getestet wurde.

Innerhalb des Prozesses fallen zwei Gasströme an, die mit Hilfe der Membrantechnik aufbereitet werden sollen. Aus dem Synthesegase des Vergasungsprozesses soll nach einer Wassergas-Shift-Reaktion CO2 abgeschieden werden. Für die Keramiksynthese wird ein Argon-Plasmagas verwendet und es entsteht Kohlenstoffmonoxid, so dass ein Ar/CO-Gasgemisch anfällt. Dieses soll ebenfalls aufgetrennt werden, um das Argon in den Prozess zurückzuführen. Die Membranprozessentwicklung beinhaltet: »» Charakterisierung kommerziell erhältlicher Membranen und Membranauswahl, »» Membranmodulcharaktersierung, »» Modellierung der Membranmodule in Aspen Custom Modeler®, »» Prozessdesign und Prozessoptimierung mit Aspen Plus®.

Abb. 1: Projektlogo

Im Rahmen dieses Projektes wird ein alternativer Prozess zum Materialrecycling untersucht werden. An den Vergasungsprozess wird ein Prozess gekoppelt, in dem durch Plasmasynthese Siliziumkarbid produziert wird.

Abb. 2: Versuchsstand - Gaspermeation mit Mischgasen und Wasserdampf

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»» Hohlfaseremulgierung Herkömmliche Emulgierungsmethoden wie Hochdruckhomogenisatoren und Rotor-Stator-Systeme dispergieren eine nicht-mischbare Phase (z.B. Öl) in eine kontinuierliche Phase (z.B. Wasser) durch hohen Energieeintrag. Diese Systeme verarbeiten die Emulsion bis zu einer gewünschten mittleren Tropfengröße wobei eine enge Größenverteilung meist schwer zu erreichen ist. Die Hohlfaseremulgierung ist eine neue Methode, die in der AVT.CVT entwickelt wurde, für die tropfenweise Produktion von Makroemulsionen mit einer engen Größenverteilung (<2% Standardabweichung). Im Gegensatz zur klassischen Membranemulgierung wo die Tropfen an den Poren der Membran entstehen, findet hier die Tropfenbildung im Inneren der Hohlfasers statt (Abb. 3). Die zu dispergierende Phase fließt durch die Lumenseite der Membran während die kontinuierliche Phase von der Außenseite durch die Membranwand permeiert. Diese Phase schnürt den Flüssigkeitsstrang ein und produziert eine Grenzflächeninstabilität, die letztendlich zur Tropfenbildung führt.

Der resultierende Tropfendurchmesser korreliert mit dem Innendurchmesser der Hohlfaser (ddr ≈ 1,5di). Die Tropfen verlassen die Membran an der Spitze wo sie weiter verarbeitet werden können. Diese Methode kann leicht mit einem anschließenden Prozessschritt wie z.B. einer Tropfenpolymerization oder Quervernetzung kombiniert werden (Abb. 4). Durch Auslösung einer Grenzflächenpolymerisation direkt nach dem Tropfenaustritt können Kapseln produziert werden, die beispielsweise als Reaktor oder für Einkapselung von Zellen verwendet werden können. Abb. 4: Hydrogelkugeln produziert mit der Hohlfaseremulgierung

Abb. 3: Prozessprinzip

Die wichtigste Merkmale und Vorteile auf einen Blick: »» Tropfengröße zwischen 300 µm und 2000 µm »» Enge Größenverteilung für ein breites Spektrum an Stoff- und Prozessparameter »» Schonende Tropfenbildung bei niedrigem Energieeintrag »» Zugabe von Tensiden nicht notwendig »» Scale-up durch Numbering-up (d.h. mit einem Hohlfaserbündel)

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Friederike Agel, Fee Pitsch, Florian Krull, Peter Schulz, Matthias Wessling, Thomas Melin, Peter Wasserscheid: Ionic liquid silver salt complexes for propene/propane separation. Physical Chemistry Chemical Physics, 2011, 13, 725-731.

»» Karina Kopec, S.M.Dutczak, Matthias Wessling, D.F. Stamatialis: Tailoring the surface charge of an ultrafiltration hollow fiber by addition of a polyanion to the coagulation bore liquid. Journal of Membrane Science, 2011, 369(1-2), 59-67.

»» Steffen Bütehorn, Dirk Volmering, Klaus Vossenkaul, Thomas Wintgens, Matthias Wessling, Thomas Melin: CFD simulation of single- and multi-phase flows through submerged membrane units with irregular fiber arrangement. Journal of Membrane Science, 2011, 384, 184–197.

»» Karina Kopec, S.M. Dutczak, Matthias Wessling, D.F. Stamatialis: Chemistry in a spinneret - On the interplay of crosslinking and phase inversion during spinning of novel hollow fiber membranes. Journal of Membrane Science, 2011, 369(1-2), 308-318.

»» P.Z. Culfaz, Steffen Bütehorn, L. Utiu, M. Kueppers, B. Bluemich, Thomas Melin, Matthias Wessling, R.G.H. Lammertink: Fouling behavior of microstructured hollow fiber membranes in dead-end filtrations: Critical flux determination and NMR Imaging of particle deposition. Langmuir, 2011, 27(5), 1643–1652.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 3.666.000 €

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Biotechnologie Systembiotechnologie

Forschungsschwerpunkt 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 der Aspekt 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.

Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Wolfgang Wiechert Forschungszentrum Jülich Institut für Bio- und Geowissenschaften IBG-3 Biotechnologie Themenbereich: Systembiotechnologie Wilhelm-Johnen-Straße 52425 Jülich Tel.: +49 2461/61-3118 Fax: +49 2461/61-3870 w.wiechert@fz-juelich.de www.fz-juelich.de

»» Studienrichtungen Verfahrenstechnik, Computational Engineering »» Schwerpunkte Systembiologie, Biotechnologie, Synthetische Biologie »» Personal 3 Professoren, 7 Obering./-innen, 30 wiss. Mitarbeiter/-innen, 10 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 10 stud. Mitarbeiter/-innen

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Ausgewählte laufende Projekte »» JuBOS Juelich Bioprocess Optimization Tool

»» Modellierung und Simulation von Chromatographieprozessen

Es wurde eine kleinskalige Kultivierungsplattform etabliert, die eine starke Beschleunigung bei der Charakterisierung der Eigenschaften biologischer Systeme als auch der Bioprozessentwicklung erlaubt. Dazu wurde ein BioLector Mikrobioreaktorsystem in ein Laborrobotersystem integriert. Damit kann die Beprobung im Kultivierungsverlauf, die Durchführung vollständiger Ernteprozeduren sowie die Zugabe von Substraten, Induktoren oder andere Manipulationen weitgehend automatisiert durchgeführt werden. Mit dieser Technologie lassen sich die einzelnen Schritte der Stammauswahl und der Bioprozessoptimierung mit deutlich höherer Genauigkeit als im Schüttelkolben untersuchen bei gleichzeitig viel höherem Durchsatz als im Bioreaktor. Mittels eines enzymatischen Glukosefreisetzungssystems konnte weiterhin die Fed-Batch Option als weiterer Kultivierungsmodus im Minimaßstab etabliert werden. Durch den Einsatz nichtlinearer Versuchsplanungsstrategien konnten etablierte Nährmedien deutlich verbessert werden.

Es wurde ein umfassendes Gesamtkonzept zur Integration zahlreicher Softwarewerkzeuge und Modellvarianten für die Analyse und Auslegung chromatographischer Trennprozesse entwickelt und umgesetzt (Chromatography Analysis and Design Toolkit – CADET). Der stark modularisierte Code ist mit flexiblen Schnittstellen versehen und auf verschiedensten Plattformen lauffähig, einschließlich Desktop-Rechnern, Supercomputern und Webservern. Neue Modelvarianten und Lösungsalgorithmen können einfach und schnell mit unterschiedlichen Schätzproblemen kombiniert werden, um Daten zu analysieren, Hypothesen zu testen und Prozesse zu optimieren.

Abb. 1

Visualisierung systembiologischer Datensätze: Die Funktionalität des Netzwerk-Editors und Visualisierungswerkzeugs Omix wurde stark erweitert. So erlauben neu entwickelte Plugins unter anderem den Einsatz von Omix als vollwertiges graphisches Modellierungs-Front- und -Backend für die metabolische Stoffflussanalyse sowie die dreidimensionale Visualisierung von diversen Daten aus Experiment und Simulation (Fluss-Stärken, MetabolitKonzentrationen, Fluss-Sensitivitäten, Kovarianzen etc.) im NetzwerkKontext. Es wurden 155 neue akademischen Omix-Lizenzen vergeben (Verdopplung der Anzahl aktiver Nutzer gegenüber dem Vorjahr). Abb. 3

»» Quantitative Metabolomanalyse Ein starker Focus der Forschungsarbeiten liegt auf der Entwicklung zuverlässiger Verfahren der Probenahme und Probenprozessierung beibehalten. Dabei gibt es neben dem Verfahren der schnellen Abkühlung von Zellen (sog. kaltes Methanol-Quenching) aktuell keine gleichwertige Alternative, die das notwendige Stoppen des Stoffwechsels im Verlauf der Probenahme ersetzen kann. Der Einsatz dieses Verfahrens konnte im letzten Jahr entscheidend durch die Entwicklung einer neuartigen Filtrationsmethode modifiziert werden, welche die Probenprozessierung nicht nur schneller und einfacher, sondern auch mit weniger Verbrauchsmaterialien ermöglicht. Zusammen mit der Fehlercharakterisierung aller experimentellen Einzelschritte bei der Probenprozessierung und einem Fehlerfortpflanzungs-modell konnten eine signifikante Verbesserung der Metabolomprozessierung erzielt werden. Abb. 2

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» Beste, D.J.V.; Bonde, B.; Hawkins, N.; Ward, J.L.; Beale, M.H.; Noack, S.; Nöh, K.; Kruger, N.K.; Ratcliffe, R.G.; McFadden, J.: 13C Metabolic Flux Analysis Identifies an Unusual Route for Pyruvate Dissimilation in Mycobacteria which Requires Isocitrate Lyase and Carbon Dioxide Fixation PLoS PATHOGENS, 7 (2011) 7.

»» Hou, B.-H.; Takanaga, H.; Grossmann, G.; Chen, L.-Q.; Qu, X.-Q.; Jones, A.M.; Lalonde, S.; Schweissgut, O.; Wiechert, W.; Frommer, W.B.: Optical sensors for monitoring dynamic changes of intracellular metabolite levels in mammalian cells Nature Protocols, 6 (2011) 11, 1818 - 1833.

»» Droste, P.; Miebach, S.; Niedenführ, S.; Wiechert, W.; Nöh, K.: Visualizing multi-omics data in metabolic networks with the software Omix - A case study Biosystems, 105 (2011) 2, 154 - 161.

»» Wiechert, W.; Noack, S.: Mechanistic pathway modeling for industrial bio-technology: challenging but worthwhile Current Opinion in Biotechnology, 22 (2011) 5, 604 - 610.

»» Francis, P.; von Lieres, E.; Haynes, C.A.: Zonal rate model for stacked membrane chromatography. I: Characterizing solute dispersion under flow-through conditions Journal of Chromatography A, 1218 (2011) 31, 5071 - 5078.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 1.278.000 €

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Lehrstuhl und Institut für Kraftwerkstechnik Dampf- und Gasturbinen Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Wirsum IKDG - Lehrstuhl und Institut für Kraftwerkstechnik Dampf- und Gasturbinen Templergraben 55 52056 Aachen Tel.: +49 241/80-25451 Fax: +49 241/80-22307 office@ikdg.rwth-aachen.de www.ikdg.rwth-aachen.de

»» Studienrichtungen Bachelor - Berufsfeld Energietechnik, Master - Energietechnik mit Vertiefungen Kraftwerkstechnik »» Schwerpunkte Stationäre Gasturbinen, Dampfturbinen, Kraftwerkstechnik, Kraftwerksprozesse, Abgasturbolader »» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 13 wiss. Mitarbeiter/-innen, 16 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 11 stud. Mitarbeiter/-innen

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. Das IKDG verfügt über mehrere große Prüfstände, in denen Verbrennungsprozesse in Gasturbinenbrennkammern oder Strömungsphänomene in Dampf- bzw. Gasturbinen, zum Beispiel Sekundärströmungen im Schaufelkanal und Leckageströmungen in den Deckbandkavitäten 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. Die mit der Steigerung der Wirkungsgrade von Kraftwerken einhergehende Anhebung der Prozessparameter von Turbinen erfordert den Einsatz von porösen Werkstoffen und optimierten Kühlungstechnologien. Diese werden am Institut seit langem intensiv erforscht. 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.

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Ausgewählte laufende Projekte »» COORETEC Turbo Einflüsse von Seitenwandkonturierung und Leckageinteraktion auf den Wirkungsgrad von Turbinen mit Deckbandbeschaufelungen Die mit der Anhebung der Prozessparameter einhergehende Steigerung des maximalen Prozessdruckes von Dampfturbinen führt zu sehr kleinen Volumenströmen in den ersten Stufen, die kleine Schaufelhöhen und kleine Höhe/Sehnenlänge-Verhältnisse erforderlich machen. Die aerodynamische Auslegung dieser Schaufeln beinhaltet noch ein erhebliches Entwicklungspotenzial, um die zu erwartenden höheren spezifischen Verluste infolge des größeren Anteils wandnaher Strömung sowie aufgrund der gravierenderen Auswirkung der Spaltströmungen zu kompensieren. Zur Begrenzung der Spaltmassenströme werden bei der Auslegung der Frontstufen in den Höchst- und Hochdruckdampfturbinen Beschaufelungen mit Deckbändern eingesetzt. Eine vielversprechende Maßnahme zur Optimierung dieser Turbinen liegt in der Seitenwandkonturierung solcher Deckbandbeschaufelungen, die ein erhebliches Potenzial zur Verminderung von Strömungsverlusten im wandnahen Bereich aufweisen. Im Rahmen dieses Projektes werden Strömungsuntersuchungen in den Deckbandkavitäten und an deren Ein- und Austritte sowie im Interaktionsbereich der Leckage- und Hauptströmung durchgeführt. Ziel dieser Untersuchungen ist die Charakterisierung der Sekundärströmungs- und Mischungsverlusten. Gleichzeitig werden damit Daten zur Validierung der parallel laufenden numerischen Simulationen bereitgestellt. Des Weiteren wird in diesem Projekt die Ausmischung von Heißgassträhnen im Rotordichtlabyrinth untersucht.

Die Einflüsse des veränderlichen Temperaturprofils im Festkörper und der hierdurch induzierten Thermospannungen werden durch Sicherheitsfaktoren berücksichtigt. Um das instationäre Temperaturfeld im Turbinenrad zu betrachten, wird im Rahmen eines Projektes, eine Wärmeübergangskorrelation experimentell und numerisch erarbeitet, welche die zeitlich veränderlichen Oberflächentemperaturen des Turbinenrades wiedergibt. Abb. 2: Turbolader

Abb. 1: Versuchsturbine »» AG Turbo Erweiterung des Brennstoffspektrums für ein NOx-armes Verbrennungssystem Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungskonzept COORETEC des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) befasst sich das Vorhaben „Erweiterung des Brennstoffspektrums für ein NOx-armes Verbrennungssystem“ mit den unterschiedlichen Betriebs- und Umgebungseinflüssen auf das Emissionsverhalten stationärer Gasturbinen.

»» FVV-Projekt Transientes Temperaturfeld in einem Radialturbinenrad Bei der Entwicklung von Abgasturboladern wird die Frage nach der Lebensdauer von Turbinenrädern immer wichtiger. Entscheidend für die Lebensdauer von Turbinenrädern für Abgasturbolader sind die durch unterschiedlichste Lastzyklen hervorgerufenen niederfrequenten Anregungen. Innerhalb eines Zyklus ändern sich hierdurch der Strömungszustand und der Wärmeübergang in der Turbine permanent. Eine entscheidende Größe für die Turbinenrad-Lebensdauerberechnung unter Berücksichtigung dieser Anregungen ist die thermische Belastung des Turbinenrades. Es ist üblich, die Spannungsberechnungen für Turbinenrad-Lebensdaueranalysen bei konstanter Bauteiltemperatur durchzuführen. Auch die Materialfestigkeitswerte werden bei konstanter Temperatur ermittelt. Damit wird nur den Einflüssen der Fliehkraft und der temperaturabhängigen Festigkeitseigenschaften auf die Lebensdauer Rechnung getragen.

Im besonderen Fokus stehen der Einfluss von Maschinenalterung, Betriebskonzept und Brennstoffkomposition auf die NOx-Emissionen. Im Rahmen dieses Vorhabens soll die nötige Wissensbasis geschaffen werden, um den neuen Anforderungen an die Auslegung stationärer Gasturbinen im Hinblick auf Emissionsgrenzwerte zu genügen. Die Auswirkungen von Alterungseffekten und Betriebsbedingungen sollen anhand statistischer Datenanalysen herausgearbeitet werden, um Teillastbetrieb und das sich ändernde Maschinenverhalten berücksichtigen zu können. Alleinstellungsmerkmal ist hierbei die Verwendung von Daten realer, im Kraftwerksbetrieb befindlicher Maschinen über mehrere Betriebsjahre. Der Einfluss der Brennstoffzusammensetzung soll durch ein verbrennungskinetisches Modell abgebildet werden. Ziel des Vorhabens ist ein Vorhersagemodell für die NOx-Emissionen einer Maschine bei einem gegebenen Lastprofil unter Berücksichtigung der typischerweise zu erwartenden Maschinenalterung.

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Ausgewählte Veröffentlichungen »» D. Bohn, S. Schwab, und M. Sell: „Analysis and Evaluation of the Impact of different Blade Loadings on a 2-Stage Turbine with Shrouded Blades“, ASME Turbo Expo 2011 Vancouver, Canada, June 6-10, 2011 Paper No. GT2011-46209.

»» D. Bohn (Hrsg.), F. Schubert (Hrsg.): „Thermisch hochbelastete, offenporige und gekühlte Mehrschichtsystme für Kombi-Kraftwerke“, Weißbuch des Sonderforschungsbereichs 561,Aachen, 1. Auflage 2011, ISBN: 3-86130-266-7.

»» D. Bohn, J. Willie: „Measurement Based Atomization Model for Diesel Spray Evaporation and Combustion in a Matrix Burner“, ASME Turbo Expo 2011 Vancouver, Canada, June 6-10, 2011 Paper No. GT2011-45885.

Drittmittelausgaben 2011

Drittmittelvolumen: 825.000 €

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FakultĂ&#x201E;t fĂźr Maschinenwesen Rwth Aachen university www.maschinenbau.rwth-aachen.de