F o r s c h u n g s b e r i c h t

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1 F O R S C H U N G S B E R I C H T F o r s c h u n g s b e r i c h t 2012 FakultÄt für Maschinenwesen RWth aachen university

2 Impressum HERAUSGEBER Fakultät für Maschinenwesen RWTH Aachen University Kackertstraße Aachen Tel. : / Fax.: / dekanat-fb4@rwth-aachen.de DEKANAT Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt (Dekan) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sabina Jeschke (Prodekanin, Stellvertreterin des Dekans) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs (Prodekan für Struktur) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel (Prodekan für Finanzen) Univ.-Prof. Dr. Ing. Uwe Reisgen (Prodekan für das Studium) Emma Saad, M.A. (Geschäftsführerin) REDAKTION, KONZEPTION UND LAYOUT Alex Levay levay@fb4.rwth-aachen.de DRUCK Aachen REDAKTIONSSCHLUSS September 2013 BEMERKUNGEN Alle Daten mit Ausnahme der Zahlen zu den Drittmittelausgaben aus der Drittmittelverwaltung beruhen auf den Angaben der einzelnen Lehrstühle und Institute. Die Eintragung erfolgt ohne Gewähr. Zu den einzelnen Einrichtungen sind weitere Angaben im Internet unter zu finden. 2

3 Vorwort Preface Ich freue mich, Ihnen den Forschungsbericht 2012 der Fakultät für Maschinenwesen vorstellen zu dürfen. 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. 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. 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. Ich wünsche Ihnen viel Spaß bei der Lektüre. I am content to introduce to you the Research Report 2012 of the Faculty of Mechanical Engineering. 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. 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. 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. Enjoy reading the report. Aachen, im September 2013 Univ.-Prof. Dr.-Ing.Robert Schmitt (Dekan) 3

4 Inhaltsverzeichnis Impressum... 2 Vorwort des Dekans... 3 Inhaltsverzeichnis... 4 Drittmittel...8 Profilbereiche...9 Lehr- und Forschungseinrichtungen der Fakultät IRT - Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik...11 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel LRST - Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Hans-Josef Allelein LTT - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik...17 Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow Model-Based Fuel Design 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 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen...34 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher IWM - Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Broeckmann AVT - BioVT - Aachener Verfahrenstechnik - Bioverfahrenstechnik...40 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jochen Büchs IGM - Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Burkhard Corves IFS Lehrstuhl und Institut für Schienenfahrzeuge und Fördertechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Torsten Dellmann IKA - Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein IKT - Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen»» ITA - Lehrstuhl für Textilmaschinenbau und Institut für Textiltechnik...57 Univ.-Prof. Professor h.c.(ru) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Thomas Gries 4

5 LFK - Lehr- und Forschungsgebiet Kautschuktechnologie Univ.-Prof. Dr.-Ing. Edmund Haberstroh IKV - Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann KM - Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik 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 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 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren...87 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke WSA - Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung...90 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Reinhold Kneer IEK-3 - Elektrochemische Verfahrenstechnik, Modellierung in der Elektrochemischen Verfahrenstechnik Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Werner Lehnert TOS - Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Peter Loosen AVT - PT - Aachener Verfahrenstechnik - Prozesstechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Marquardt AVT - MVT - Multiscale Modeling of Molecular Transformations Juniorprofessor Dr. Ahmed E. Ismail AVT.SVT - Aachener Verfahrenstechnik - Systemverfahrenstechnik Univ.-Prof. Dr. Alexander Mitsos, Ph.D. AVT - MVT - Aachener Verfahrenstechnik - Mechanische Verfahrenstechnik Univ.-Prof. Dr.- Ing. Michael Modigell FSD - Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Moormann IFAS - Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff»» E.ON EBC Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik Energy Research Center Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller 5

6 LTFD - Lehr- und Forschungsgebiet Laser-Messverfahren in der Thermofluiddynamik N. N. AVT - TVT - Aachener Verfahrenstechnik - Thermische Verfahrenstechnik N. N. SWL - Lehr- und Forschungsgebiet Hochtemperatur-Gasdynamik, Stoßwellenlabor Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert Olivier IST - Lehr- und Forschungsgebiet Raumfahrtantriebe, Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Michael Oschwald VKA - Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger ITV - Institut für technische Verbrennung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Heinz Günter Pitsch Physico-Chemical Fundamentals of Combustion Juniorprofessor Dr. rer. nat. Ravi Xavier Fernandes DLR - Institut für Solarforschung, Lehrstuhl für Solartechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Pitz-Paal LLT - Lehrstuhl für Lasertechnik Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A. meditec - Lehrstuhl für Medizintechnik Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Radermacher ILB - Lehrstuhl und Institut für Leichtbau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hans-Günther Reimerdes ISF - Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen GRS.ASE - Angewandtes Supercomputing im Maschinenbau German Research School for Simulation Sciences GmbH Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sabine Roller IAW - Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Christopher Marc Schlick WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt KEmikro - Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Werner Karl Schomburg AIA - Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder»» WZL - Werkzeugmaschinenlabor - Lehrstuhl für Produktionssystematik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Günther Schuh 6

7 NLD - Lehr- und Forschungsbegiet für Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schulz AICES Lehrstuhl für Datengetriebene Modellierung in der Computational Engineering Science Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Andres Schuppert Verfahren höherer Ordnung in der Mehrphasenströmungssimulation Juniorprofessor Georg May, Ph.D AVT - EPT - Aachener Verfahrenstechnik, Enzymprozesstechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Antje C. Spieß IEK-3 - Lehrstuhl für Brennstoffzellen Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich Univ.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Stolten ILR - Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme Univ.-Prof. Dr.-Ing. Eike Stumpf IAM - Institut für Allgemeine Mechanik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. (UA) Dieter Weichert AVT - CVT - Aachener Verfahrenstechnik - Chemische Verfahrenstechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling IBG-1 - Biotechnologie, Systembiotechnologie Institut für Bio- und Geowissenschaften, Forschungszentrum Jülich Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Wolfgang Wiechert»» IKDG - Lehrstuhl und Institut für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Wirsum 7

8 Drittmittel Drittmittel sind eine tragende Säule bei der Finanzierung der innovativen Forschungsaktivitäten. Aufgrund der erfolgreichen Kooperationen mit Industrieunternehmen und durch die zunehmende Förderung durch Bund und Länder konnte das Drittmittelvolumen der RWTH Aachen University im Jahr 2012 auf 321 Millionen Euro gesteigert werden. Entwicklung des Drittmittelvolumens der RWTH Aachen University der letzten 10 Jahre Die Fakultät für Maschinenwesen hat mit 110 Millionen Euro Drittmittelausgaben mehr als ein Drittel des gesamten Drittmittelvolumens der Hochschule eingeworben. Hinzu kommen 84,6 Millionen Euro Drittmittelausgaben in den assoziierten Fraunhofer- und An-Instituten von Professorinnen und Professoren der Fakultät. Demgegenüber steht eine Basisfinanzierung von ca. 94 Millionen Euro durch das Land NRW. Entwicklung des Drittmittelvolumens der Fakultät für Maschinenwesen der letzten 5 Jahre 8

9 PROFILBEREICHE» Verteilung der Fakultät 4-Institute auf die Profi bebereiche der RWTH Aachen University Ein wichtiger Aspekt der jüngsten strategischen Überlegungen an der RWTH Aachen University ist die Einrichtung von hochschulweiten Profi l- bereichen. Diese sollen die Fähigkeit der RWTH steigern, bedeutende Forschungsvorhaben und Großprojekte durchzuführen, indem bspw. wissenschaftliche Kompetenzen gebündelt, Kommunikationswege verkürzt sowie Impulse für eine fakultätsübergreifende Struktur- und Entwicklungsplanung gegeben werden. Übergeordnetes Ziel ist das erfolgreiche Arbeiten an interdisziplinären Zukunftsthemen. Zum November 2012 sind folgende 8 Profi lbereiche etabliert worden:» Computational Science & Engineering (CompSE)» Energy, Chemical & Process Engineering (ECPE)» Information & Communication Technology (ICT)» Material Science & Engineering (MatSE)» Medical Science & Technology (MedSE)» Molecular Science & Engineering (MSE)» Mobility & Transport Engineering (MTE)» Production Engineering (ProdE) Die Leitung der einzelnen Profi lbereiche sowie die Steuerung von Organisations- und Kommunikationsabläufen innerhalb dieser werden jeweils von einem Steering Committee (SC) übernommen, das sich aus max. 8 Personen zusammensetzt und einen Sprecher wählt. Die Mehrzahl der Institute an der Fakultät für Maschinenwesen ist mehreren Profi lbereichen zugeordnet. Profi lbereiche Mitglieder der SC aus der Fakultät 4 CompSE Prof. Schröder, Prof. Behr ECPE Prof. Pischinger, Prof. Wessling ICT Prof. S. Jeschke MatSE Prof. Broeckmann MedSE Prof. Gries MSE Prof. Spieß MTE Prof. Eckstein, Prof. Abel ProdE Prof. Klocke, Prof. Abel Von den aufgelisteten Mitgliedern sind derzeit fünf Professoren als Sprecher des jeweiligen Steering Committees tätig (Prof. Klocke, Prof. Gries, Prof. Abel, Prof. Pischinger, Prof. Schröder). Verteilung der Institute auf die Steering Committees 9

10 Lehr- und Forschungs- Einrichtungen der Fakultät 10

11 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. 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. 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. 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. Schließlich liegen in dem Bereich Industry die Forschungsschwerpunkte bei der Regelung innovativer Kraftwerkskonzepte, dem energieoptimalen Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen sowie der Entwicklung von Regelungsstrategien in der Produktionstechnik. Die dynamische Modellierung und Simulation der betrachteten Prozesse sowie die Auslegung von Regelungen und Steuerungen stehen im Mittelpunkt der Arbeit der Gruppe. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel IRT - Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik Steinbachstraße Aachen Tel.: / Fax: / secretary@irt.rwth-aachen.de Studienrichtungen alle (Regelungstechnik ist Pflichtfach für alle Studienrichtungen der Fakultät 4) Schwerpunkte Methodik in den Bereichen modellprädiktive Regelung, robuste und digital vernetzte Regelungen. Anwendungen liegen in den Bereichen Automotive und Rail sowie Medizintechnik und Prozessanlagen»» Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 24 wiss. Mitarbeiter/-innen, 9 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 51 stud. Mitarbeiter/-innen Methodische Schwerpunkte bilden die Modellgestützte Prädiktive Regelung, die robuste Regelung und die Betrachtung von digital vernetzten Regelsystemen. 11

12 Ausgewählte laufende Projekte SiBopS - Simulationsgestützte Betriebsoptimierung für Solarturmkraftwerke Solarthermische Kraftwerke können einen wertvollen Beitrag zur Energiewende liefern. Da in ihnen thermische Speicher zum Einsatz kommen können, kann anders als bei Photovoltaikmodulen - auch bei Wolkendurchgängen oder nachts Elektrizität bereitgestellt werden. Im Projekt SiBopS werden verschiedene Ansätze verfolgt um den Betrieb eines solarthermischen Turmkraftwerks zu optimieren. Diese Ideen werden exemplarisch am Solarturm Jülich evaluiert. Neben dem Institut für Regelungstechnik ist auch das Institut für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen der RWTH Aachen an SiBopS beteiligt. Weitere Projektpartner sind: DLR - Institut für Solarforschung, FH Aachen Solar Institut Jülich, Kraftanlage München GmbH, CSP Services GmbH sowie die Leikon GmbH. Das Institut für Regelungstechnik ist im Projekt SiBopS maßgeblich an der Entwicklung eines Betriebsassistenzsystems beteiligt. Das Assistenzsystem dient dazu dem Anlagenbediener Empfehlungen für die Einstellung von Prozessgrößen im Kraftwerk zu machen um somit den Betrieb zu optimieren. Hierfür sind mehrere Stufen mit zunehmenden Automatisierungsgrad vorgesehen. In einer ersten Stufe, dem sogenannten Prädiktionsmodus, wird der Anlagenfahrer zunächst darüber informiert, wie sich der Zustand des Kraftwerks entwickeln wird, wenn die Stellgrößen nicht verändert werden. Hierfür greift das Betriebsassistenzsystem auf Simulationsmodelle des Kraftwerks zurück. So können kritische Anlagenzustände besser erkannt und somit leichter umfahren werden. In einer zweiten Stufe, dem sogenannten Manöversimulator, wird dem Anlagenbediener ermöglicht, die Konsequenzen von hypothetischen Änderungen in Stellgrößen simulativ zu ermitteln und somit einen Stelleingriff detaillierter und präziser zu planen. Die dritte Stufe ist das eigentliche Betriebsassistenzsystem bzw. der Empfehlungsmodus. Dieser Modus ermittelt optimale Stellgrößen, beispielsweise mit dem Ziel das Kraftwerk möglichst schnell hochzufahren oder möglichst viel elektrische Energie ins Netz einzuspeisen. Die ermittelten Stellgrößen werden anschließend dem Anlagenfahrer als Vorschlag übermittelt, der jedoch weiterhin die volle Kontrolle über die Anlage behält. Dieser Empfehlungsmodus soll die Akzeptanz für die Optimierungsergebnisse, die auf einem Anlagenmodell basieren, verbessern. Zudem sollen Erfahrungen mit dieser Methode gesammelt werden, um darauf aufbauend in einem zukünftigen Projekt den Regelkreis komplett schließen zu können. Das Projekt SiBopS wird finanziert durch das EFRE kofinanzierte Operationelle Programm für NRW im Ziel Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung. Der Solarturm Jülich Roboterassistierte Neurorehabilitation Alleine in Deutschland erleiden jährlich rund Menschen einen Schlaganfall. Als Folge dieser Schädigung des zentralen Nervensystems treten häufig Bewegungsstörungen der oberen Extremität auf, die durch eine Rehabilitation gemindert werden können. In der klinischen Neurorehabilitation werden physiotherapeutische Übungen idealerweise mehrfach pro Tag durchgeführt. Bei jeder Übung braucht der Patient individuelle Überwachung und Kontrolle, was jedoch durch die hohen Kosten sowie die begrenzte Kapazität an Physiotherapeuten und Trainingseinrichtungen nur äußerst begrenzt möglich ist. Patientin am Rehabilitationssystem Ziel des Projektes ist es, in Kooperation mit einem Industriepartner sowie einem weiteren Institut der RWTH (AME/RPE), ein Assistenzsystem basierend auf dem KUKA Leichtbauroboter (LBR) zu entwickeln, das angepasst an die individuellen Bedürfnisse des Patienten die Ausführung während der Übungen kontrolliert und ihn sowohl in Normal- als auch in Ausnahmesituationen unterstützt. Damit erhält der Patient die Möglichkeit, die Übungen selbständig und mit hinreichender Häufigkeit durchzuführen. Das therapeutischen Personal wird dadurch unterstützt, zudem bieten sich neue Möglichkeiten in der Therapie. Die Forschungstätigkeit des Instituts für Regelungstechnik beinhaltet hierbei unter anderem die Bewegungserfassung des Patienten während der Interaktion mit dem Roboter. Diese basiert auf den roboterinternen Sensoren sowie zusätzlichen Beschleunigungssensoren. Aus der Interaktion und individuellen Patienteninformationen werden Klassifikationsmerkmale abgeleitet, die eine Erkennung der aktuellen Patientensituation ermöglichen und damit Grundlage für das Ableiten von Strategien zur Regelung der Therapie sind. Hierbei muss das Wissen des Physiotherapeuten vom Rehabilitationssystem abgebildet werden, damit therapiekonforme Reaktionen auf das Patientenverhalten möglich werden. 12

13 Ausgewählte Veröffentlichungen Jarmolowitz, F.; Groß-Weege, Ch.; Lammersen, Th.; Shariati, S.; Abel, D.: Modelling and Robust Model Predictive Control of an Unstable Thermoacoustic System with Constraints. In: ACC The 2012 American Control Conference, June 27-29, 2012, Fairmont Queen Elizabeth, Montréal, Canada, Reglular Session Energy System Control, ISBN , pp Nolteernsting, F.; Fischer, D.; Gall, J.; Abel, D.: Optimal Storage Usage in CSP: A Dynamic Programming Approach. In: SolarPACES Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems, September 11-14, 2012, Marrakech, Marokko, J-10 Schrödel, F.; Maschuw, J.P.; Abel, D.: An approach for calculating all stable PID parameters for time delay systems with uncertain parameters. In: PID 12, IFAC Conference on Advances in PID Control, Brescia, March 2012, FrPS.13 Arenbeck, H.; Bollue, K.; Abel, D.: System and application concept of a novel robotic component for phantoms used in 4D-radiotherapy and 4D-medical imaging. In: CARS 2012, Computer Assisted Radiology and Surgery, Proceedings of the 26th International Congress and Exhibition, Pisa, Italy, June 27-30, International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, Vol. 7, Supplement 1, June 2012, pp , Springer Verlag»» Rütters, R.; Breuer, M.; Zhang, J.; Abel, D.; Lüdicke, D.: Comparison of State Estimation Filters for Safety Relevant Localization in Rail Applications, Based on the Milestone Based SiPoS-Rail Approach. In: Proceedings of the 25th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2012), Nashville, TN, September 17-21, 2012, pp Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

14 Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Hans-Josef Allelein LRST - Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik Kackertstr Aachen Tel.: / Fax: / office@lrst.rwth-aachen.de 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. Reaktorverhalten Containmentphänomene und -prozesse CFD-Simulationen Energiewirtschaftliche Systemanalysen Studienrichtungen Energietechnik (M.Sc.), Nuclear Safety Engineering (M.Sc.), Physik (M.Sc.) Energietechnik Schwerpunkte Reaktorsicherheit, Reaktortechnik, Energiewirtschaft, Alternative Energietechniken»» Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 16 wiss. Mitarbeiter/-innen, 2 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 16 stud. Mitarbeiter/-innen 14

15 Ausgewählte laufende Projekte Katalytische Rekombination von Wasserstoff in Sicherheitsbehältern von Kernkraftwerken bei schweren Störfällen Katalytische Rekombinatoren werden in Kernkraftwerken zur Wasserstoffbeseitigung bei Störfällen eingesetzt. In Rekombinatoren wird neben Wasserstoff auch das brennbare Gas Kohlenmonoxid (CO), das im Verlauf schwerer Störfälle z.b. bei der Schmelze-Beton-Wechselwirkung freigesetzt wird, mit Sauerstoff umgesetzt. In Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich im Rahmen eines BMWi-Förderprojekts wurde nun die Kinetik der parallelen Rekombination von Wasserstoff und CO experimentell untersucht. Dabei konnte erstmals gezeigt werden, dass die Umsetzung von CO erheblich langsamer abläuft als bisher angenommen. Diese neue Erkenntnis wurde von der französischen Sachverständigenorganisation IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) zum Anlass genommen, eine revidierte Sicherheitsanalyse für französische Anlagen der Leistungsklassen 900 MWel und 1300 MWel durchzuführen. Nach derzeitigem Stand wird seitens IRSN davon ausgegangen, dass als Folge der neuen Studie die Nachrüstung weiterer Rekombinatoren in französischen Kernkraftwerken der 1300 MWel-Klasse erfolgen wird. Generic Containment Ziel des Projektes Generic Containment war es, die Ergebnisse verschiedener LES-Rechenprogramme nicht nur mit Experimenten, sondern auch untereinander zu vergleichen. In einem ersten Schritt wurde dafür zunächst eine einheitliche Nodalisierung der Geometrie erarbeitet, um dies als Quelle für Abweichungen ausschließen zu können. Danach erfolgte der Abgleich von Einflüssen auf die Phänomenologie des simulierten Ereignisses. Dazu gehörten zum Beispiel die Anordnung und Modellierung von Berstscheiben oder festgelegte Werte für die Wärmestrahlung. Nodalisierung des Containments eines Druckwasserreaktors als Generisches Containment Darstellung des deutlich langsameren Umsatzes von CO im Vergleich zu H2 an einem Rekombinator Wirkzusammenhänge in Energieversorgungssystemen mit Erneuerbaren Energien Im Bereich der energiewirtschaftlichen Systemanalysen werden Lösungsansätze zur Abbildung von Systemkomponenten und Wirkungszusammenhängen im Stromversorgungssystem mit Hilfe von mathematischen Optimierungsmodellen entwickelt. Verstärkter Fokus der Forschungsaktivitäten liegt hierbei auf Fragestellungen des Einsatzes stationärer Speichertechnologien im Strommarkt. Auf Grundlage multifunktionaler Betriebsführungskonzepte werden die Auswirkungen des Speichereinsatzes auf das Gesamtsystem unter Einbezug unterschiedlicher Ausbaustrategien erneuerbarer Energien untersucht. Die Unterschiede in den Ergebnissen konnten nachfolgend hinsichtlich ihrer Ursachen in den jeweiligen Modellen analysiert werden, wie zum Beispiel den von den Programmen berechneten Kondensationsraten. Aus den sehr detaillierten Vergleichsuntersuchungen konnte somit ein verbessertes Verständnis und eine erhöhte Sicherheit bezüglich der von den jeweiligen Programmen berechneten Ergebnisse gewonnen werden. Aus verschiedenen Rechencodes resultierende Druckverläufe im Generischen Containment 15

16 Ausgewählte Veröffentlichungen Allelein, H.-J., Reinecke, E.-A., Belt, A., Broxtermann, P., Kelm, S.: Combined analytical and experimental investigations for LWR containment phenomena Nuclear Engineering and Technology, Vol. 44, No. 3, April 2012 Allelein, H.-J., B. Schlögl, J. Baggemann, S. Jühe, and S. Kasselmann: Experimental Investigations and Analytical Improvements for HTR Pebble Bed Cores 20th International Conference Nuclear Engineering ICONE-20 (2012) Anaheim, CA, USA. 07/30/ /03/2012 Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

17 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. Die Arbeiten sind inhaltlich auf folgende Forschungsgruppen aufgeteilt: Energiesystementwicklung: Die Gruppe entwickelt rigorose Methoden für den computergestützten Entwurf und die Optimierung von Energieversorgungskonzepten für Gewerbe, Kommunen und Industrie. Dabei werden sowohl einzelne Komponenten als auch ganze Systeme betrachtet, die sich bis zur stofflichen Integration von Energie- und Verfahrenstechnik erstrecken. Neben ökonomischen und technischen Aspekten werden auch ökologische Auswirkungen mit Hilfe von Ökobilanzen (LCA) bewertet. 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. 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. 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. Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow LTT - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik Schinkelstraße Aachen Tel.: / Fax: / secretary@ltt.rwth-aachen.de Studienrichtungen Maschinenbau (Bachelor), Energietechnik, Verfahrenstechnik, Grundlagen des Maschinenwesens Schwerpunkte Analyse und Optimierung von Energiesystemen, energetische Anwendungen der Adsorption, molekulare Modelle zur Stoffdatenvorhersage, optische Messtechnik zur Konzentations- und Temperaturbestimmung in Fluiden»» Personal 2 Professoren, 1 Obering./-innen, 38 wiss. Mitarbeiter/-innen, 16 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 58 stud. Mitarbeiter/-innen Vom Lehrstuhl für Technische Thermodynamik wurden in 2012 folgende Vorlesungen angeboten: Thermodynamik I/II (Bachelor) Energiesystemtechnik Einbindung regenerativer Energiesysteme Angewandte Molekulare Thermodynamik 17

18 Ausgewählte laufende Projekte Dream Production CO2 als Baustein für Polymere Die chemische Nutzung von CO2 bietet vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit das Potential, das Treibhausgas CO2 langfristig in Materialien und Produkte einzubauen. Kohlenstoff-Bausteine fossilen Ursprungs können so als Ausgangsmaterialien ersetzt werden. Im Fokus des Forschungsprojektes Dream Production steht daher die stoffliche Nutzung von CO2 für die Herstellung von Polyurethan-Kunststoffen (PUR). Die CO2-Nutzung wird von einem Konsortium der Industriepartner Bayer MaterialScience, Bayer Technology Services und RWE Power AG sowie der RWTH Aachen erforscht und in einer Pilotanlage demonstriert. Die gesamte neue Wertschöpfungskette (vgl. Abb. 1) wird vom Lehrstuhl für Technische Thermodynamik im Rahmen einer Ökoeffizienz-Analyse mit bestehenden Verfahren zur PUR-Herstellung verglichen. Die ökologische Bewertung erfordert eine ganzheitliche Betrachtung aller vor- und nachgeschalteten Prozesse über den gesamten Lebenszyklus. Der gesamte Lebenszyklus wird daher mit Hilfe der Ökobilanz-Methodik (engl. Life cycle assessment, LCA) analysiert. Es ist zu klären, ob der Energieaufwand für die Aktivierung des reaktionsträgen CO2 größer ist als der Gewinn durch den Einbau des Treibhausgases. Abb. 1: Systemfließbild Dream Production Innovative Energiespeicher für die effiziente Wärmeversorgung einer Brauerei Die Effizienz von Prozessen mit fluktuierendem Energieangebot oder bedarf kann durch den Einsatz von thermischen Speichern gesteigert werden. Sorptionsspeicher haben den Vorteil, dass die gleiche Anlage sowohl als Wärmespeicher als auch als Wärmepumpe und Wärmetransformator arbeiten kann. Damit sind sie ideal dazu geeignet, Leistung und Wärme entsprechend des Bedarfsprofils zu verschieben. Im Rahmen eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projekts wurde am LTT ein Zeolithspeicher für den Einsatz in der Brauindustrie entwickelt. Den Prüfstand zeigt Abbildung 2. Der Brauprozess zeichnet sich durch einen kurzzeitigen Bedarf an Hochtemperaturwärme aus, zu dessen Deckung eine Wärmeerzeugungseinheit mit hoher Leistung benötigt wird. Im Projekt wird die hohe Wärmeleistung nun von einem Zeolithspeicher bereitgestellt, der durch ein Motorheizkraftwerk (MHKW) bei niedriger Leistung beladen wird. Durch den Einsatz des Zeolithspeichers ist somit eine energieeffiziente und wirtschaftliche Betriebsweise des MHKWs mit hohen Laufzeiten möglich. Die gewünschte Leistungsverschiebung konnte erfolgreich demonstriert werden und ermöglicht gegenüber konventionellen Brauereien eine Primärenergieeinsparung von ca. 30 %. Abb. 2: Zeolithspeicherprüfstand am LTT 18

19 Molekulare Modellierung zukünftiger Biokraftstoffe Untersuchungen zum Phasenverhalten neuer Biokraftstoffe An der RWTH werden im Exzellenzcluster Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse neue Methoden zur Definition und Herstellung eines nachhaltigen Kraftstoffes erarbeitet. In diesem Rahmen beschäftigt sich die Gruppe Molekulare Thermodynamik des LTT mit der Entwicklung von molekular basierten Modellen zur Vorhersage von Stoffeigenschaften. Dabei arbeitet ein interdisziplinäres Team aus Naturwissenschaftlern und Ingenieuren gemeinsam daran, grundlegende Methoden der Quantenmechanik und der Thermodynamik zu nutzen, um Lösungen für anwendungsspezifische Probleme zu finden. Die Vorhersagemodelle werden im Cluster einerseits eingesetzt, um aus der Vielzahl möglicher Lösungsmittel und Hilfsstoffe während des Herstellungsprozesses diejenigen zu identifizieren, die das größte Potential bezüglich energieeffizienter, ökonomischer und ökologisch verträglicher Verfahren bieten. Darüber hinaus wird auch nach Kraftstoffkomponenten selbst gesucht, die eine besonders emmissionsarme Verbrennung ermöglichen. Im Rahmen des Exzellenzclusters Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse wird nach neuen Kraftstoffkomponenten aus Biomasse gesucht. Diese Moleküle besitzen einen höheren Sauerstoffanteil als konventionelle Kraftstoffe und beeinflussen somit deren Wasserlöslichkeit, wenn sie als Kraftstoffadditive verwendet werden. Um Umwelteinflüsse und Probleme beim Transport dieser Kraftstoffmischungen zu vermeiden, muss deren Phasenverhalten mit Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen bekannt sein. Zur Zeit ist es noch nicht möglich, dieses Phasenverhalten quantitativ vorherzusagen, sodass hier experimentelle Daten unerlässlich sind. Zu diesem Zweck wurde eine Plattform entwickelt, die die Charakterisierung von Flüssig-flüssig-Gleichgewichten automatisiert durchführt. Von der Herstellung der Proben über deren Analyse bis hin zur Datenauswertung führt die Plattform jeden Arbeitsschritt automatisiert durch und ermöglicht dabei die gleichzeitige Einstellung von 98 Flüssig-flüssig-Gleichgewichten. Das benötigte Probenvolumen der einzelnen Flüssig-flüssig-Gleichgewichte wurde von sonst üblichen 25 ml auf 1 ml herabgesetzt. Aufgrund dieser geringen Volumina, verringert sich auch die Zeit, die zur Gleichgewichtseinstellung benötigt wird. Diese neue Plattform ermöglicht es somit, den Einfluss neuer Kraftstoffkomponenten auf die Wasserlöslichkeit konventioneller Kraftstoffe schnell und vor allem mit sehr wenig Materialaufwand zu untersuchen. Abb. 3: Autosampler 19

20 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): , 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: , 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): , 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): , 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 , Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

21 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 sowie Mikrogelen mit. Ziele dabei sind die ökonomische und ökologische Gewinnung von verschiedensten Grundstoffen für Anwendungen, die von Kraftstoffen bis zu Medikamenten reichen, die Aufreinigung von Zwischenprodukten sowie die Verbesserung der Qualität von Produkten aus chemischen Reaktoren. 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. 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. Juniorprof. Dr.-rer. nat. Kai Leonhard LTT - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik Model-based Fuel Design Schinkelstraße Aachen Tel.: / Fax: / kai.leonhard@ltt.rwth-aachen.de Studienrichtungen Energietechnik, Verfahrenstechnik Schwerpunkte Entwicklung prädiktiver Stoffdatenmodelle, Modellbasiertes Design in Energie- und Verfahrenstechnik»» Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 6 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 8 stud. Mitarbeiter/-innen 21

22 Ausgewählte laufende Projekte Lösungsmitteldesign zur Biomasseauflösung Um Biomasse als vollwertige Erdölalternative zu nutzen, ist das Auflösen der erste erforderliche Prozessschritt. Dieser Schritt stellt hohe Anforderungen an ein Lösungsmittel. Der relativ neue Stoffgruppenzweig der sogenannten Ionischen Flüssigkeiten (eng. Ionic liquids, IL) hat sich als vielversprechendes Lösungsmittel herausgestellt. IL haben jedoch einige Nachteile, nicht zuletzt mindern die hohen Herstellungskosten die Wirtschaftlichkeit. Am Beispiel der Cellulose, einem der Hauptbestandteile von Biomasse, suchen wir im Tailor-made Fuels from Biomass -(TMFB)-Exzellenzcluster unter Zuhilfenahme theoretischer Modelle nach Optimierungsmöglichkeiten der IL. Basierend auf quantenmechanischen Berechnungen entwickeln wir molekulare Strukturen, die die gewünschten Eigenschaften haben. Die von uns errechneten Systeme werden klassifiziert und die am meisten Erfolg versprechenden zur Synthese und experimentellen Überprüfung unserer Ergebnisse an Kooperationspartner übermittelt. Anhand der verifizierten Ergebnisse erfolgt eine kontinuierliche Optimierung unserer Modelle. Ab initio Verbrennungskinetik Die Kinetik von Verbrennungsvorgängen wird von den thermodynamischen Daten vieler Zwischenprodukte und deren Elementarreaktionen bestimmt. Diese Reaktionen werden für Computational Fluid Dynamics-(CFD)-Simulationen benötigt, um Verbrennungsmotoren sparsamer und sauberer zu machen. Im Rahmen des TMFB-Exzellensclusters berechnen wir solche Stoffdaten mit Methoden der Quantenmechanik und der statistischen Mechanik für potentielle Biokraftstoffkomponenten. Die Ziele des Projektes umfassen sowohl die Weiterentwicklung der Methoden, um die relevanten Effekte genauer zu beschreiben, als auch die Anwendung auf Moleküle, die für den TMFB-Cluster potentielle Biokraftstoffe darstellen. Abb. 1: Lösungsmitteldesign Abb. 2: Butanol-Kinetik 22

23 Prädiktive Zustandsgleichung Zustandsgleichungen sind wichtige Werkzeuge zur Modellierung von Stoffdaten für die motorische Einspritzung, für Trenn- und Reaktionsprozesse sowie für energietechnische Anwendungen wie Kompressionswärmepumpen. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer prädiktiven Zustandsgleichung auf Basis von PC-SAFT (Perturbed-Chain Statistical Associating Fluid Theory) und quantenmechanisch berechneten Moleküleigenschaften. Sie wird benutzt um thermodynamische Eigenschaften von Reinstoffen und Mischungen zu berechnen ohne dafür experimentelle Daten zu benötigen. Es wurde ein Ansatz entwickelt, die Zustandsgleichungsparameter mittels quantenmechanischer Rechnungen für nicht-wasserstoffbrücken-bildende Stoffe zu berechnen. In diesem Zusammenhang beschäftigen wir uns mit der Weiterentwicklung der Beschreibung elektrostatischer Wechselwirkungen. Wir wenden das Modell an, um thermodynamische Eigenschaften neuartiger Biokraftstoffe zu modellieren, die die Einspritz-, Verdampfungsund Mischungsprozesse im Motor und damit letztlich die Schadstoffemissionen bestimmen. Abb. 3: Zustandsgleichung 23

24 Ausgewählte Veröffentlichungen M. Hechinger, K. Leonhard und W. Marquardt: What is Wrong with Quantitative Structure Property Relations Models Based on Three-Dimensional Descriptors? Journal of Chemical Information and Modeling 52, (2012) S. Korden, N. Van Nhu, J. Vrabec, J. Gross und K. Leonhard: On the Treatment of Electrostatic Interactions of non-spherical Molecules in Equation of State Models, Soft Materials 10, (2012) K. Leonhard, M. Umer, K. Albers und G. Sadowski: Ab-initio Rechnungen eine Quelle für PC-SAFT Parameter VDI-Thermodynamik-Kolloquium, Potsdam, (2012). D. Dechambre, C. Pauls, K. Leonhard, L. Greiner und A. Bardow: Systematic Model-Based Design of Experiments for the Data-Reduction of Liquid-Liquid Equilibria Thermodynamik-Kolloquium, Potsdam (2012). C. Jens, K. Nowakowski, C. Gertig, K. Leonhard, A. Behr und A. Bardow: Molekulare Optimierung von Lösungsmitteln für die Ameisensäure-Synthese zur Speicherung von CO2 und H2 ProcessNET - Jahrestagung, September (2012). Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

25 Forschungs- und Lehrgebiet Hochtemperatur-Werkstoffmechanik / Allg. Mechanik (RWTH-IAM / FZ Jülich) Forschungsschwerpunkte Mechanisches Verhalten von Hochtemperaturwerkstoffen der Energietechnik, insbesondere: Höchstwarfeste Stähle für Dampferzeuger, Dampfturbinen, Brenstoffzellen- und Abgassysteme Nickelbasis-Superlegierungen für Gasturbinen Keramische Wärmedämschichtsysteme für Gasturbinenkomponenten Funktionskeramiken zur Gastrennung in Kraftwerksprozessen mit CO2-Sequestration Reaktivgelötete Metall-Keramik-Verbunde für Brennstoffzellen- und Gastrenn-Membransysteme Innovative Feuerfestwerkstoffe mit reduziertem Kohlenstoffgehalt Ultrahochzyklusermüdunge metallischer Werkstoffe Thermomechanische Ermüdung von metallischen Werkstoffen und Metall-Keramik Schichtverbunden Univ.-Prof. Dr.-Ing. Tilmann Beck Forschungszentrum Jülich Institut für Energie- und Klimaforschung IEK - 2 Werkstoffstruktur und Eigenschaften Wilhelm-Johnen-Straße Jülich Tel.: / Fax: / t.beck@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, 16 wiss. Mitarbeiter/-innen, 8 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 2 stud. Mitarbeiter/-innen 25

26 Ausgewählte laufende Projekte Charakterisierung und Optimierung von Wärmedämmschichtsystemen für Gasturbinen In einem DFG-Gemeinschaftsprojekt mit der TU Braunschweig wird der Einfluss der Grenzflächenrauheit und Kriechfestigkeit der Komponenten des Schichtsystems auf die Schädigung und Lebensdauer bei thermozyklischer Beanspruchung experimentell und mittels FEM-Simulation untersucht. Aktueller Schwerpunkt dieses nach erfolgreicher Begutachtung nun in seiner dritten und abschließenden Förderphase befindlichen Projekts ist die experimentelle (FZ Jülich) und numerische (TU Braunschweig) Analyse der Interaktion von Segmentierungs- und Delaminationrissen auf das Schichtversagen. Ein BMWI-gefördertes Projekt befasst sich parallel hierzu mit dem Einfluss der Phasenlage zwischen Temperatur und mechanischer Beanspruchung auf die Lebensdauer und Schädigungsmechanismen intermetallischer Oxidationsschutzschichten für Ni-Basis-Gusslegierungen bei thermomechanischer Ermüdungsbelastung. Projektpartner sind Siemens, MTU-AeroEngines, TU Darmstadt und KIT. Entwicklung höchstwarmfester ferritischer Stähle In einem 2012 erfolgreich abgeschlossenen BMBF-geförderten Projekt wurden gemeinsam mit dem MPI für Eisenforschung, Düsseldorf, der Ruhr-Universität Bochum und den Industriepartnern Thyssen-Krupp, Benteler und Behr lavesphasenverfestigte ferritische Hochtemperaturstähle für die Anwendung in Abgas- und Brennstoffzellensystemen bei Temperaturen bis 950 C entwickelt. Zwei neu entwickelte Legierungen wurde gemeinsam mit den Projektpartnern zum Patent angemeldet. Zur Übertragung des für Temperaturen ab 800 C erfolgreich angewandten Ansatzes der Lavesphasenverfestigung auf den Einsatz in Hochtemperatur-Dampfkraftwerken bei Temperaturen um 650 C existiert eine intensive Zusammenarbeit mit den RWTH-Instituten IWM und IEHK, die durch eine Promotion im Rahmen des Stipendienprogramms der Jülicher Graduiertenschule HITEC zur Analyse des Einflusses thermomechanischer Behandlungen auf die Bildungs- und Vergröberungskinetik verfestigender Phasen flankiert wird. Zur Erforschung der Schweißbarkeit dieser Werkstoffklasse wurde ein BMBF-finanziertes Kooperationsprojekt mit den Oak Ridge National Labs (USA) initiiert. Charakterisierung und Weiterentwicklung reaktivgelöterer Metall-Keramik Verbunde IIn einem industriefinanzierten Vorhaben und einem DFG-Paketprojekt (gemeinsam mit den Aachener Instituten IWM, IOT und ACCESS) wurden Lotrezepturen und Lötprozesse für Stahl-Keramik-Verbunde in Gastrenn- Membransystemen und Hochtemperatur-Brennstoffzellen weiterentwickelt und deren erheblich verbessertes Degradationsverhalten bei isothermer und thermozyklischer Belastung an Luft nachgewiesen. In der 2012 bewilligten Fortsetzung dieses Vorhabens wird u.a. das Verhalten reaktivgelöteter Verbunde mit hoher thermischer Fehlpassung erforscht. Entwicklung von Höchstleistungs-Al-Legierungen für Verbrennungsmotorkolben In einem BMBF-geförderten Verbundprojekt gemeinsam mit der Uni Erlangen und FederalMogul Nürnberg werden Druckguss- und Niederdruck-Kokillengusstaugliche Aluminiumlegierungen für Anwendungstemperaturen bis 450 C in höchstleistungs-dieselmotoren entwickelt. Patentanmeldungen für insgesamt 6 Kombinationen von Legierung und Gießprozess wurden eingereicht. Ultrahochzyklusermüdung metallischer Werkstoffe Im Rahmen des DFG-SPP Life-Unendlich wird das Ermüdungsverhalten eines martensitischen Dampfturbinenstahls bei hohen Mittelspannungen und Zykluszahlen bis über 10E9 untesucht. In Mittelpunkt der bewilligten 3-Jährigen Fortsetzung des Projektes steht die detaillierte Analyse der lebensdauerbestimmenden Anrissbildung bei derartigen Beanspruchungen und darauf aufbauend die Entwicklung eines Werkzeuges zur Lebensdauervorhersage. In einem Teilprojekt der Aachener Forschergruppe ADR (Leiter: Prof. Schröder, AIA) wird das Ultrahochzyklus-Ermüdungsverhalten von Aluminiumblechen mit widerstandreduzierender Oberflächenstrukturierung erforscht. Keramische Werkstoffe für Hochtemperaturbrennstoffzellen und Gastrennmembranen Im Helmholtz-Portfolio MemBrain und drei drittmittelfinanzierten Forschungsvorhaben werden in einem europaweiten Verbund das temperaturabhängige elastische Verhalten, die Festigkeit und die Kriecheigenschaften perowskitischer, ionenleitender Keramiken in anwendungsrelevanten Atmosphären untersucht und in enger Kooperation mit Forschungsprojekten zur Thermochemie dieser Werkstoffe in die Optimierung der chemischen Zusammensetzung eingebracht. Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und des Degradationsverhaltens keramischer Funktionsund Isolationsschichten für Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme werden derzeit 4 Projekte mit erheblicher Industriebeteiligung bearbeitet. 26

27 Ausgewählte Veröffentlichungen M. Schweda, T. Beck, L. Singheiser: Thermal cycling damage evolution of a thermal barrier coating and the influence of substrate creep, interface roughness and pre-oxidation, International Journal of Materials Science (2012), S. Kovacs, T. Beck, L. Singheiser: Influence of mean stresses on fatigue life and damage of a turbine blade steel in the VHCF-regime, Int. J. Fatigue 49 (2013), T. Beck, O. Trunova, R. Herzog, L. Singheiser: TBCs for Gas Turbines under Thermomechanical Loadings: Failure Behaviour and LifePrediction, J. Energy and Power Engineering 7 (2013), B. Buchholz, T. Beck, U. Gampe: Development of a Generalized LCF-TMF Lifing Model for a Nickel-Base Superalloy, Procs. ASME Turbo Expo 2012, July 17-20, 2012, Copenhagen, Denmark C. Li, B. Kuhn, J. Brandenberg, T. Beck, L. Singheiser, K. Bobzin, N. Bagcivan, N. Kopp: Improving Contour Accuracy and Strength of Reactive Air Brazed (RAB) Ceramic/Metal Joints by Controlling Interface Microstructure, Adv. Engng. Mater. 14 (2012), Drittmittelausgaben 2012 Anzahl der Drittmittelprojekte: 13 27

28 Lehrstuhl für computergestützte Analyse technischer Systeme Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Marek Behr, Ph.D. CATS - Lehrtstuhl für computergestützte Analyse technischer Systeme Schinkelstraße Aachen Tel.: / Fax: / office@cats.rwth-aachen.de Studienrichtungen Computational Engineering Science, Grundlagen des Maschinenwesens Schwerpunkte Rechnergestützte Analyse von Strömungsvorgängen mit Anwendungen der Medizintechnik, Produktionstechnik und Aerodynamik»» Personal 1 Professor, 3 Obering./-innen, 11 wiss. Mitarbeiter/-innen, 8 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 14 stud. Mitarbeiter/-innen 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. Folgende Forschungsschwerpunkte sind am Lehrstuhl zu finden: 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-Struktur- Kopplungsschemata Parallelisierungstechniken für Computerarchitekturen mit verteiltem Speicher Parallele iterative Löser und Vorkonditionierer für große Gleichungssysteme Der Lehrstuhl für computergestützte Analyse technischer Systeme bietet die Pflichtveranstaltung Simulationstechnik im Bachelor Maschinenbau zusammen mit AVT.SVT an. In dem Studiengang Computational Engineering Science (CES) bietet der Lehrstuhl die Pflichtvorlesungen CES Mechanik I/II an. Weiterhin werden verschiedene Wahlpflichtvorlesungen angeboten, u.a. Paralleles Rechnen in der computergestützten Mechanik, Isogeometrische Analyse, Numerische Methoden der Fluid-Struktur-Interaktion und Finite Elemente in der Fluiddynamik. Der Lehrstuhl arbeitet eng mit internationalen Partnern zusammen, insbesondere mit: Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Rice University, Houston, USA Department of Mechanical Engineering, Technion, Haifa, Israel Department of Civil Engineering, Chuo University, Tokyo, Japan MicroMed Technology, Houston, USA Projekt-/Abschlussarbeiten werden in den meisten oben benannten Forschungsthemen angeboten. Der Lehrstuhl gehört zu den Gründungsmitgliedern des Center for CES (CCES). Der Lehrstuhl koordiniert die Aktivitäten der Graduiertenschule Aachen Institute for Advanced Study in CES (AICES) und ist am Betrieb der German Research School for Simulation Sciences (GRS) beteiligt. 28

29 Ausgewählte laufende Projekte Numerische Modellierung von Strömungen mit freien Oberflächen Strömungen mit freien Oberflächen treten in vielen technischen und ingenieurwissenschaftlichen Anwendungen auf. Darunter fallen zum Beispiel die Auslegung von umströmten Wasserbauten und Schiffsrümpfen, die Füllung von Formen mit einer Schmelze bei Gießprozessen oder die Formgebung einer Schmelze in der Profilextrusion. Strömungen mit einer freien Oberfläche können dabei grundsätzlich als nicht-mischbares Zweiphasenproblem angesehen werden, wobei oft der Einfluss der gasförmigen Phase auf die flüssige Phase vernachlässigbar ist. Es gibt aber auch Situationen wo die treibende Kraft von der gasförmige Phase ausgeht, wie zum Beispiel bei Blasensäulenreaktoren. Numerische Simulationen ermöglichen es ein tiefergehendes Verständnis von lokalen Phänomenen zu erlangen und damit derartigen Prozesse zu optimieren und zu steuern. Die am CATS entwickelten Methoden für Strömungen mit freien Oberflächen sollen in Zukunft auch Anwendung finden in der numerischen Optimierung von Gießprozessen. Hierbei ergibt sich durch die Abkühlung des Gussteils ein gewisser Verzug. Das Ziel ist es, diesen Verzug bereits bei der Auslegung der Form berücksichtigen zu können, um die tatsächliche Zielgeometrie nach der Abkühlung zu erhalten. Hierzu soll die Formfüllung im Rahmen einer numerischen Formoptimierung simuliert werden, so dass letztendlich die Qualität und die Toleranzen der Gussteile verbessert werden können. Simulation zweier aufsteigender Luftblasen in Wasser Am Lehrstuhl für Computergestützte Analyse Technischer Systeme (CATS) werden verschiedene Ansätze für die numerische Modellierung von inkompressiblen Strömungen mit freien Oberflächen verfolgt und entwickelt. Die Basis des hauseigenen Strömungslösers bildet dabei die Finite Elemente Methode (FEM). Eine Herausforderung bei der Modellierung von Strömungen mit freien Oberflächen stellt vor allem die Verfolgung der bewegten Oberfläche dar. Abhängig vom Anwendungsfall treten nur kleine und langsame Bewegungen der Oberflächen auf; wie zum Beispiel bei der Profilextrusion. Dahingegen können zum Beispiel bei Wasserbauten brechende Wellenfronten entstehen die großen und rapiden Bewegungen unterliegen. Bei der Entwicklung von möglichst universellen Simulationsmodellen ist dementsprechend eine flexible und auch robuste Beschreibung der freien Oberfläche unumgänglich. Des Weiteren spielt insbesondere bei kleinskaligen Problemen auch die Genauigkeit der Oberflächenbeschreibung eine bedeutende Rolle. In der Simulation von aufsteigenden Blasen müssen zum Beispiel mikroskopische Effekte wie die Oberflächenspannung berücksichtigt werden. Die numerische Modellierung derartiger Effekte hängt entscheidend von der Güte der Oberflächenbeschreibung ab. Um diesen anwendungsspezifischen Anforderungen an die Beschreibung der Oberfläche gerecht zu werden, wird abhängig von der Situation der am besten geeignete Ansatz zur Modellierung der freien Oberfläche gewählt. Visualisierung einer Strömungsimulation von einem Überlaufwehr 29

30 Ausgewählte Veröffentlichungen S. Elgeti, H. Sauerland, L. Pauli, and M. Behr: On the Usage of NURBS as Interface Representation in Free-Surface Flows, I nternational Journal for Numerical Methods in Fluids, 69 (2012) T. Nguyen, M. Vukovic, M. Behr and B. Reinartz: Numerical Simulations of Successive Distortions in Supersonic Turbulent Flow, AIAA Journal, 50 (2012) S. Elgeti, M. Probst, C. Windeck, M. Behr and W. Michaeli and C. Hopmann: Numerical Shape Optimization as an Approach to Extrusion Die Design, Finite Elements in Analysis and Design, 61 (2012) H. Sauerland and T. Fries: The stable XFEM for Two-Phase Flows. Computers & Fluids, 2012, DOI: /j.compfluid S. Frauholz, M. Behr, B.U. Reinartz and S. Müller: Numerical Simulation of Hypersonic Air Intake Flow in Scramjet Propulsion Using a Mesh-Adaptive Approach, Paper AIAA , in Proceedings of the 18th AIAA/3AF International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Tours France, (2012). Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

31 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. Das Institut umfasst insgesamt vier Forschungs- und Entwicklungsbereiche: Löttechnologie Thermisches Spritzen PVD-Werkzeugbeschichtung PVD-Bauteilbeschichtung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin IOT - Institut für Oberflächentechnik Kackertstraße Aachen Tel.: / Fax: / info@iot.rwth-aachen.de Studienrichtungen Maschinenbau, Produktionstechnik, Energietechnik, Oberflächentechnik Schwerpunkte Oberflächentechnik, Beschichtungstechnik, Tribologie, Korrosion, Löttechnik»» Personal 1 Professorin, 2 Obering./-innen, 15 wiss. Mitarbeiter/-innen, 17 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 16 stud. Mitarbeiter/-innen 31

32 Ausgewählte laufende Projekte DFG SFB-TR 87 Gepulste Hochleistungsplasmen zur Synthese nanostrukturierter Funktionsschichten TP A1, A4, C6 Vergleich von CrAlN-Beschichtungen aus DC-, MF- und HPPMS- Beschichtungverfahren Cluster of Excellence Integrative Production Technology for High- Wage Countries Project C3: Integrated Technologies - Multi-Technology Products Spritzgegossene Strukturen mit einem unbeschichteten (links) und einem beschichteten (rechts) Werkzeugeinsatz in einem konventionellen Spritzgussverfahren AIF/FVV/FVA-Forschungscluster Low Friction Power Train Reibungskoeffizienten unterschiedlicher Schmierstoffe gegen unterschiedliche Beschichtungen ermittelt in einem Pin-on-Disk Tribometer DFG Funktionalisierung inerter Hochleistungskeramiken mittels bioaktiver Auftraglötbeschichtung Skizze einer Hüftgelenksprothese mit einer cytokompatiblen Titan-Kobaltbasis Auftraglötschicht 32

33 Ausgewählte Veröffentlichungen Hopmann Ch., Michaeli W., Eilbracht S., Bobzin K., Bagcivan N., Theiß S., Hartmann C., Holtkamp J., Gillner A., Mayer J.: Extrusion embossing of hydrophobic films a study on process characteristics and surface properties; Journal of Plastics Technology 8 (2012) Bagcivan N., Bobzin K., Theiß S.: Comparison of (Cr0.75Al0.25)N Coatings Deposited by Conventional and High Power Pulsed Magnetron Sputtering; Contrib. Plasma Phys. 52, No. 7, (2012) Bobzin K., Kopp N., Warda T., Öte M.: Determination of the Effective Properties of Thermal Spray Coatings Using 2D and 3D Models, Journal of Thermal Spray Technology, JTTEE5, DOI: /s Bobzin K., Bagcivan N., Kopp N., Puidokas S.M., Tillmann W., Wojarski L., Liu C., Manka M.: Influence of Dynamic Stresses and Operating Environment on the Mechanical Properties of Copper- Based Braze Joints, Proceedings IBSC, , Las Vegas, USA»» Bobzin K., Kopp N., Warda T., Petkovic I., Schäfer M., Landes K.D., Forster G., Zimmermann S., Marques J-L., Kirner S., Kauffeldt M., Schein J.: Particle In-Flight and Coating Properties of Fe-Based Feedstock Materials Sprayed with Modern Thermal Spray Systems; Journal of Thermal Spray Technology, JTTEE5, DOI: /s z 33

34 Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christan Brecher WZL - Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen Steinbachstraße Aachen Tel.: / Fax: / Konstruktion und Berechnung von Produktionsanlagen Maschinenuntersuchung und -beurteilung Auslegung und Untersuchung von Maschinenkomponenten Steuerungs- und Antriebstechnik Automatisierung Informationstechnik und -management aavifa- Kundenspezifische Softwarelösungen Verzahnmaschinen und Getriebeberechnung Getriebeuntersuchungen info@wzl.rwth-aachen.de Studienrichtungen Fertigungstechnik Schwerpunkte Maschinentechnik, Steuerungstechnik und Automatisierung, Getriebetechnik»» Personal 1 Professor, 4 Obering./-innen, 60 wiss. Mitarbeiter/-innen, 39 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 92 stud. Mitarbeiter/-innen 34

35 Ausgewählte laufende Projekte Sielectric Powertrain Im von der Siemens AG geförderten Forschungsbereich Sielectric Powertrain werden Methoden und Modelle zur nachhaltigen Optimierung des elektrischen Antriebsstrangs für PKWs erforscht. Im Verbund sind neben dem WZL mehrere RWTH-Institute (IEM, ika, IME, ISEA) vertreten. Aufgabe des WZL ist u.a. die Entwicklung einer Methodik zur parameterbasierten Auslegung des elektrifizierten Antriebsstrangs. Ziel ist hierbei die Ableitung eines Auslegungsvorschlags für verschiedene Komponenten des Antriebsstrangs (wie Umrichter, Elektromotor und Getriebe) auf Basis relevanter Eingangsparameter (wie bspw. maximales Drehmoment, Energieverbrauch, Höchstgeschwindigkeit)berechnet wird. Als Voraussetzung dazu wird auch ein geeignetes, realitätsnahes Modell des Getriebes entwickelt, welches sämtliche Effekte wie Reibung, Steifigkeiten und Wirkungsgrade berücksichtigt. Sämtliche für das Fahrverhalten relevanten Komponenten des Fahrzeugs werden in einem Gesamtfahrzeugsimulationsmodell zusammengefügt und können anschließend mit verschiedenen Fahrzyklen (z.b. der Simulation einer Autobahnfahrt) beaufschlagt werden. Die Simulationsergebnisse (z.b. Energieverbrauch je 100 km, Steigungsfähigkeit) können daraufhin für die Auswahl geeigneter Komponenten berücksichtig werden. Im weiteren Verlauf wird die Auswahl der Komponenten und der Identifikation der Anforderungen an die Prozesse der Fahrzeughersteller (OEM) angepasst, sodass diese bei der Auswahl ihrer marken- und produktspezifischen Eigenschaften (z.b. Fahrverhalten, Akustik, Effizienz) unabhängig von der Grunddynamik des Antriebsstrangs (z.b. Eigenfrequenz und Dämpfung) wählen können. Ansprechpartner Dipl.-Ing. Stephan C. Gsell Telefon

36 Ausgewählte Veröffentlichungen Brecher, C.; Triebsd, J.; Heyers, C.; Jasper, D.: Mit Energieeffizienzlösungen verborgene Schätze heben in: VDW Branchenreport (2012) 11, s Brecher, C.; Breitbach, T.; u. a.: 3D Assembly Group Analysis for Cognitive Automation in: Journal of Robotics (2012) Article ID , ISSN , S. 18 Brecher, C.; Verl, A.: Modell und Realität - Wann ist ein Modell gut genug, wann bringt es Mehrwert? in: wt Werkstattstechnik online 102 (2012) 5, S Brecher, C.: Intergrative Production Technology for Hig-Wage Countries Springer Verlag Berlin 2012, ISBN »» Brecher, c.; Kolster, D.; Herfs, W. u. a.: Plug and play device integration for industrial automation with instant machine visualization using RFID technology in: Production engineering - Research and Development 6 (2012) 2, S

37 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 Aachen Tel.: / Fax: / info@iwm.rwth-aachen.de Studienrichtungen Bachelor Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen, Materialwissenschaften, Master Allgemeiner Maschinenbau, Produktionstechnik, Biomedical Engineering Schwerpunkte Werkstofftechnik Metalle und Keramik»» Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 23 wiss. Mitarbeiter/-innen, 22 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 31 stud. Mitarbeiter/-innen 37

38 Ausgewählte laufende Projekte Simulation der Ermüdungsrissausbreitung in Hartmetall Hartmetalle sind Verbundwerkstoffe aus einer harten und verschleißbeständigen Phase, wie z.b. Wolframkarbid (WC) und einer duktilen metallischen Bindephase z.b. Kobalt (Co). Die mechanischen Eigenschaften werden weitestgehend vom Bindergehalt dominiert. Der Bindergehalt kann dabei über einen weiten Bereich variieren (3 40 Masse%). So führt ein geringer Anteil metallischer Bindephase eher zu spröden Materialverhalten, wohingegen ein hoher Anteil zu ausgeprägter Zähigkeit und Duktilität führt. Wegen der sehr hohen Härte werden WC/Co Hartmetall vorrangig für Zerspanungswerkzeuge verwendet. Solche Werkzeuge unterliegen meist einer alternierenden zyklischen Belastung und versagen unter Langzeitbeanspruchung durch Schwingungsrißbildung in der metallischen Binderphase. Für eine sicherere Vorhersage der Langzeitzuverlässigkeit von Hartmetallbauteilen sind das Verständnis und die Beurteilung von Rißenstehung und -ausbreitung von besonderem Interesse und werden daher am IWM erforscht. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Finiten-Elemente-Analyse bzw. der Entwicklung geeigneter Modelle zur Vorhersage des Schadensverlaufs unter Berücksichtigung der Mikrostruktur. Untersucht wird insbesondere der Einfluss von Karbidgehalt, Spannungsverhältnis und niveau auf das Rissausbreitungsverhalten unter schwingender Beanspruchung. Abb. 1 a zeigt den Risspfad im Gefüge einer Hartmetallqualität mit hohem Karbidanteil nach einer Dauerfestigkeitsprüfung, der mit Hilfe geeigneten Schädigungsmodelle numerisch sehr gut abgebildet (Abb. 1 b) werden kann. Zukünftige Schwerpunkte liegen im der Übertragung der bisherigen Forschungsergebnisse auf dreidimensionale Strukturen. Abb. 1: Rissverlauf in einer zyklisch belasteten Probe (a) Experiment (b) Simulation DFG - Randschichtdesign pulvermetallurgisch hergestellter Zahnräder Pulvermetallurgische Herstellungsverfahren tragen durch die Möglichkeit endkonturnaher Fertigung bei variablen Bauteildichten zur Ressourcenschonung und damit zur Nachhaltigkeit im Maschinenwesen bei. Gerade in Zeiten knapper Ressourcen wird diesem Umstand eine hohe Bedeutung beigemessen. Durch die Entwicklung neuer Auslegungsverfahren für PM- Bauteile sollen diese Vorteile weiter ausgeschöpft werden. Der experimentelle Teil beinhaltet die Prüfung der Schwingfestigkeiten eines für die Zahnradherstellung geeigneten Sinterstahls unter Berücksichtigung der Einflüsse von Dichte und Kohlenstoff. Die verschiedenen Probenserien werden dazu in unterschiedlichen Dichten (7,0 g/cm3, 7,3 g/cm3 und 7,8 g/cm3) ausgeführt und basieren auf einem Stahlpulver mit 0,85 Gew. % Molybdän und der Zugabe von 0,2 %, 0,4 % und 0,8 % Kohlenstoff. Abb.2: Simulierte Dichteverteilung und Einfluss der Dichte auf die Dauerfestigkeit DFG - Reaktivlöten von Metall-Keramik-Verbunden Das Reactive Air Brazing (RAB) ist eine wichtige Entwicklung in der Hochtemperatur-Fügetechnik von Keramiken. Mit RAB ist es möglich, keramische Werkstoffe mit metallischen Loten in Luftatmosphäre zu fügen, ohne sie vorher zu metallisieren. Somit ist diese Technologie insbesondere interessant für spezielle Funktionskeramiken, wie beispielsweise Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF), welcher aufgrund thermodynamischer Instabilität bei niedrigen Sauerstoffpartialdrücken und gleichzeitig hohen Temperaturen nicht mit konventionellen Verfahren gelötet werden kann. BSCF wird am Institut als Sauerstoffmembran für Oxyfuelprozesse eingesetzt. Das bei RAB am häufigsten verwendete Lot-System ist das Ag- CuO-System. Dabei ist der CuO-Anteil entscheidend für die Benetzbarkeit der Keramik. Im Fall von BSCF-Verbunden mit Hochtemperaturlegierungen bildet das CuO große Reaktionsschichten mit Elementen des Stahls sowie der Keramik. Diese Schichten wachsen bei einem Hochtemperatur- Langzeitbetrieb der Verbunde weiter und verändern sich in ihrer Struktur. Aus der mechanischen Prüfung von isotherm gealterten Proben lassen sich Rückschlüsse auf die Abhängigkeit der mechanischen Festigkeit der Verbunde von diesen Mikrostrukturveränderung im Grenzflächenbereich ziehen. Zudem wird die Beurteilung zeitabhängiger Änderungen der Versagensmechanismen ermöglicht. Ergänzend wird mithilfe der Finite-Elemente-Methode das (Langzeit-) Festigkeitsverhalten der Verbunde simuliert. Bei der Erstellung eines geeigneten Modells werden erstmalig auch die entstehenden Diffusionsschichten und deren Veränderungen berücksichtigt. Abb. 3: REM-Gefügeaufnahme eines RAB-Lötverbundes Die Forschungsarbeiten am IWM befassen sich u.a. mit der Optimierung des Dichteprofils von oberflächenverdichteten, pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrädern. Dazu werden Vorgehensweisen zur Berechnung der Bauteilfestigkeit von Sintermetall-Bauteilen entwickelt. Ein Schwerpunkt befasst sich mit der Frage, inwieweit örtliche Gefügeänderungen wie Dichte- und Kohlenstoffgradienten welche durch die Nachverdichtung der Zahnradoberfläche bzw. durch die Einsatzhärtung hervorgerufen werden in die Berechnung mit einbezogen werden können. Eine verbesserte Auslegungsmethodik mit Berücksichtigung solcher Gradienten wird die Zahnräder bezüglich der Tragfähigkeit und des Gewichts optimieren. 38

39 Ausgewählte Veröffentlichungen Keusemann, S., Broeckmann, C., Beiss, P.: A Synthetic Haigh Diagram for Sintered Structural Steels, Intern. Journal of Powder Metallurgy, 48, [5], (2012) Pfaff, E. M.; Kaletsch, A.; Broeckmann, C.: Design of a Mixed Ionic/Electronic Conducting Oxygen Transport Membrane Pilot Module, Chemical Engineering & Technology 35 (3), (2012) Eser, A., Bezold, A., Broeckmann, C., Kozeschnik, E., Simsir, C.: Tempering of Tool Steels- a multiscale simulation. Proc. Tool 2012, Leoben, (2012) Özden, U. A., Bezold, A., Broeckmann, C.: Numerical Simulation of the Mesoscale Fatigue Crack Propagation in WC/ Co under Plane Stress Conditions, Proc. 19th Int. Eur. Conference on Fracture (ECF19), 318, Kazan (2012) A. Kaletsch, A. Bezold, E.M. Pfaff, C. Broeckmann: Effects of copper oxide content in the AgCuO braze alloy on microstructure and mechanical properties of reactive air brazed Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) Journal of Ceramic Science and Technology, 3, [2], (2012) Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

40 Aachener Verfahrenstechnik Bioverfahrenstechnik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jochen Büchs AVT.BioVT - Aachener Verfahrenstechnik - Bioverfahrenstechnik Worringer Weg Aachen Tel.: / Fax: / secretary.biovt@avt.rwth-aachen.de Studienrichtungen Verfahrenstechnik Schwerpunkte Bioverfahrenstechnik Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 22 wiss. Mitarbeiter/-innen, 7 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 22 stud. Mitarbeiter/-innen Die Forschungsschwerpunkte der AVT.BioVT bilden die Beschreibung und Charakterisierung geschüttelter Kleinkultursysteme, die Fermentationstechnologie und die Entwicklung neuer Methoden zur online-prozessanalyse und -überwachung in allen (Bioreaktor-) Maßstäben. Folgende Forschungsgebiete werden augenblicklich schwerpunktmäßig bearbeitet: 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. Fermentationstechnologie: Dieser Bereich umfasst Stofftransportphänomene, das Scale-up sowie die Bilanzierung, Regelung und modellhafte Beschreibung von Fermentations- und Biotransformationsprozessen. Der Lehrstuhl besitzt einen weltweit einmaligen 10 bar Druckfermenter, der zum Reaktorkalorimeter erweitertet wurde. Bioverfahrenstechnik viskoser Systeme Die Bioverfahrenstechnik viskoser Fermentationssysteme stellt allgemein einen neuen Forschungsschwerpunkt an der AVT.BioVT dar. Derartige viskose Systeme werden nun verfahrenstechnisch sowohl in geschüttelten Kleinkultursystemen als auch in Rührreaktoren untersucht und charakterisiert. Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse (TMFB): Die AVT.BioVT beteiligt sich am TMFB-Exellenzcluster und fokussiert sich dabei auf folgende Gebiete: Screening nach geeigneten Biokatalysatoren, direkte fermentative Umsetzung von grüner Biomasse zu Plattformchemikalien und in-situ Produktaufarbeitung. Prof. Büchs leitet das Graduiertenkolleg Biocatalysis in non-conventional media (BioNoCo) und ist stellvertretender Sprecher des internationalen Graduiertenkollegs SeleCa mit der Osaka Universität/Japan. 40

41 Ausgewählte laufende Projekte Effektives Screening mit Fed-Batch Schüttelkolben In der traditionellen Bioprozessentwicklung werden Screening Experimente üblicherweise in Schüttelkolben oder Mikrotiterplatten (MTP) in der Batch Betriebsweise durchgeführt. Produktionsprozesse hingegen finden mehrheitlich in der Fed-Batch Betriebsweise statt um den Anforderungen nach hoher Zelldichte und Produktausbeute zu genügen. Die hier am Institut entwickelten Fed-Batch Schüttelkolben schließen genau diese existierende Lücke an Fed-Batch Screening Systemen. Mittels eines diffusionsgetriebenen Reservoirs, das einen gewünschten Nährstoff, ein ph-stellmittel oder einen Induktor enthält, wird ein Fed-Batch Prozess nachgestellt. Der Fokus liegt darin, optimale Umgebungsbedingungen zu gewährleisten um die Produktivität des Stamms zu vergrößern. Um die Vorteile des Systems zu zeigen, wurde es mit dem Respiration Activity Monitoring System (RAMOS) kombiniert, sodass eine online Überwachung der Atmungsaktivität sowie metabolischer Phänomene gewährleistet wird. Vor allem eine Sauerstofflimitierung kann mittels dieser Messtechnik erkannt werden. Reaktorkalorimetrie Die Reaktorkalorimetrie stellt eine leistungsstarke, nicht-invasive online Messtechnik für viele Arten der biotechnologischen (oder chemischen) Produktbildung dar und kann eine wertvolle Ergänzung bzw. eine ökonomische Alternative zur etablierten online Überwachung wie z.b. der Abgasanalytik sein. Sie ermöglicht es sogar, die Produktbildung online zu verfolgen bei Systemen, für die etablierte Methoden nicht zur Verfügung stehen. Biologische Aktivität wie z.b. Biomasse- oder Metabolitbildung erzeugt Wärme aufgrund von Energieverlusten bei der biochemischen Umsetzung. Die während eines Fermentationsprozesses anhand von Biokalorimetrie gemessene Wärmebildung indiziert als Funktion der Lebensbedingungen und des aktuellen metabolischen Status der kultivierten Mikroorganismen ob Biomasse und / oder Produkt gebildet wird. Infrarotaufnahme des Reaktorkalorimeters um Wärmeverluste zu detektieren Die Durchführbarkeit dieses Konzepts wurde anhand einer Glucose limitierten Fed-Batch Kultivierung demonstriert, bei der ein 1000-facher Anstieg in der Produktbildung von rekombinanten E. coli gegenüber dem stark reprimierten Batch Prozess erzielt wurde. Andere positive Effekte liegen in der minimierten Nebenproduktbildung, der Vermeidung eines Overflow Metabolismus und moderaten ph Änderungen. Darüber hinaus wird durch die hohen Füllvolumina in Schüttelkolben im Vergleich zur MTP nicht nur Verdunstung verringert, sondern auch eine erhöhte Probenahme zur Offline Analyse oder Produktaufarbeitung erreicht. Insgesamt ermöglicht das Fed-Batch Schüttelkolben System eine gute Vorhersage von optimalen Stämmen und Prozessbedingungen und generiert eine solide Basis für weitere Prozessentwicklungen in maßstabsvergrößerten Reaktoren. A) Die Adaption der Schüttelkolben von Batch auf Fed-Batch Betriebsweise ermöglicht ein effektives Screening. B) Eine verbesserte Stammcharakterisierung wird durch die Kombination der Fed-Batch Schüttelkolben mit der RAMOS Technologie gewährleistet. Vor kurzem wurde am Lehrstuhl ein 50 L Pilotmaßstab Druckfermenter für die Nutzung als Biokalorimeter aufgerüstet. Eine Analyse des Temperaturkontrollsystems ermöglicht es, die benötigte Kühlenergie und somit die Gesamtwärmeerzeugung im Fermenter zu bestimmen. Wenn man die anderen Wärmequellen und senken in Betracht zieht, wie z.b. den mechanischen Leistungseintrag des Rührers und den Wärmeverlust an die Umgebung, wird eine eindeutige Überwachung der metabolischen Aktivität des Mikroorganismus und damit des Fermentationsprozesses möglich. Der Austausch früherer diskret schaltender Ventile des Kühlsystems gegen kontinuierlich betriebene Ventile bietet die Möglichkeit, sogar geringe Wärmeströme aus dem Bioprozess genau zu erfassen. Ziel dieses Projektes ist es, eine einfach anwendbare, ökonomische, universelle und nicht invasive online Überwachungstechnik für die Herstellung von Massenprodukten mit biotechnologischen Systemen in Pilot- und Produktionsfermentern mittels Biokalorimetrie zu entwickeln. 41

42 Ausgewählte Veröffentlichungen C. Bähr, B. Leuchtle, C. Lehmann, J. Becker, M. Jeude, F. Peinemann, R. Arbter, J. Büchs: Dialysis shake flask for effective screening in fed-batch mode, Biochemical Engineering Journal, 69 (2012) G. Jäger, J. Büchs: Biocatalytic conversion of lignocellulose to platform chemicals, Biotechnology Journal, 7 (2012) W. Klöckner, J. Büchs: Advances in shaking technologies, Trends in Biotechnology, 30 (2012) E.-M. Siepert, E. Gartz, M.K. Tur, H. Delbrück, S. Barth, J. Büchs: Short-chain fluorescent tryptophan tags for on-line detection of functional recombinant proteins, BMC biotechnology, 12 (2012). M. Kunze, R. Huber, C. Gutjahr, S. Müllner, J. Büchs: Predictive tool for recombinant protein production in Escherichia coli shake flask cultures using an on-line monitoring system, Biotechnology Progress, 28 (2012) Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

43 Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik Forschungsschwerpunkt Die Forschungsschwerpunkte des Instituts für Getriebetechnik und Maschinendynamik gliedern sich in drei Bereiche: Getriebetechnik und mechatronische Antriebstechnik Maschinendynamik und Schwingungstechnik Robotik und Handhabungstechnik 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 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 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 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Burkhard Corves Dr.-Ing. Mathias Hüsing (Stellv.) IGM - Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik Kackertstraße Aachen Tel.: / Fax: / mbox@igm.rwth-aachen.de 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.»» 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. 43

44 Ausgewählte laufende Projekte Verbesserung der Performance eines Delta-Roboters für High-Speed- Anwendungen In Kooperation mit der Weber Maschinenbau GmbH (Breidenbach) wird am IGM ein Prüfstand für einen Deltaroboter betrieben. Ziel der Zusammenarbeit ist die Verbesserung der High-Speed-Performance, wobei alle Randbedingungen hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Arbeitsraums (Abb.1), der Picks pro Minute sowie des Überschwingverhaltens eingehalten werden müssen. Im Rahmen des Projekts wurden Verbesserungen auf mehreren Ebenen erzielt. Die Optimierung der mechanischen Struktur, d.h. sowohl der kinematischen Parameter wie auch der Bauteildimensionierung, wird mittels eines trajektorienbasierten Maßsyntheseverfahrens durchgeführt. Zur Bewertung wird einerseits ein kinetostatisches Modell zur Berechnung der Antriebsmomente, andererseits ein Steifigkeitsmodell zur Berechnung der Systemverformung aufgrund von Trägheitskräften verwendet. Auf der Steuerungsebene wurden die Ergebnisse aus der kinetostatischen Modellierung adaptiert, so dass eine Vorsteuerung der Antriebsmomente erfolgen kann. Neben einer simulativen Reglerparametrisierung wurden ebenfalls auf den Prozess optimierte Kalibrierungsverfahren entwickelt, welche zu einer Steigerung der Absolutgenauigkeit des Roboters beitragen. Die Kombination aller genannten Maßnahmen führte zu einer enormen Steigerung der statischen und dynamischen Genauigkeit. Aktuelle Forschungsfragen beschäftigen sich mit einer echtzeitfähigen Bahnplanung, welche die positionsabhängigen Kraft- und Geschwindigkeitsübertragungseigenschaften eines Parallelmanipulators berücksichtigt. Hierbei kann eine maximale Momenten- und Geschwindigkeitsausnutzung der Antriebe realisiert werden, was zu einer Maximierung der Energieeffizienz und Systemperformance beiträgt. Abb.1: Optimierung des Arbeitsraum eines Delta-Roboters Fold-In - Folding Innovations: Basics, Design, Applications, Visions Das Prinzip der Faltung tritt in der Natur häufig dort auf, wo dünne Strukturen verstärkt oder große Flächen kompaktiert werden müssen. Im Rahmen des vom ERS, aus Mitteln der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder, geförderten Projekts Fold-In soll eine ganzheitliche Betrachtung gefalteter und faltbarer Strukturen erfolgen. In einem interdisziplinären Konsortium wird das Potential von Faltungen erforscht um anschließend gezielt in technischen Systemen Anwendung zu finden. Die Vorteile können von Materialersparnis und Effizienzsteigerung im Leichtbau über Anpassungsfähigkeit an veränderte Bedingungen bis zur Übernahme neuer Funktionen durch verwandelte Strukturen reichen. Schwerpunkte der Arbeit am IGM sind: die systematische Beschreibung und Klassifikation von gefalteten und faltbaren Strukturen, die Modellierung von faltbaren Strukturen und Methoden zur Auslegung faltbarer Strukturen. Abb.2: Variation des Faltmusters Miura-Ori Untersuchung des Einflusses geometrischer Parameter auf das Fahrverhalten von Einspurfahrzeugen Im Rahmen eines Projekts am IGM wird ein Mehrkörpersimulationsmodell eines Einspurfahrzeugs erstellt. Das Modell dient der Untersuchung von Einflüssen geometrischer Parameter auf das fahrdynamische Verhalten von Mountainbikes (MTB). Das Fahrverhalten von MTB wird heutzutage hauptsächlich durch das subjektive Empfinden von Testfahrern beurteilt. Ziel der Arbeit ist es technische Größen festzulegen und Kennzahlen zu ermitteln, um in Zukunft dieses Verhalten auch objektiv beurteilen zu können. Zudem dient es der Betriebslastenermittlung und liefert somit die Grundlage zur rechnergestützten Auslegung von MTBs. Das am IGM entwickelte Mehrkörpersimulations-Modell des MTBs ist vollständig parametrisiert aufgebaut, so dass zum Beispiel der Einfluss von verschiedenen Rahmengeometrien oder Laufradgrößen durch Parameterstudien untersucht werden kann. Da bei dem System Fahrer-Mountainbike der Fahrer ca. 90 % der Gesamtmasse des Systems einnimmt, wird dieser ebenfalls für die Mehrkörpersimulation abgebildet, um seinen Einfluss einzubeziehen. Die Gliedmaßen werden als Starrkörper erzeugt und unter Verwendung anthropologischer Daten parametrisiert. Die Beweglichkeit zwischen den einzelnen Gliedmaßen wird mittels Festlegung bestimmter Bewegungsfreiheitsgrade und der Nutzung von Feder-Dämpfer-Elementen hergestellt. Die Anregung des Fahrwerks erfolgt durch Unebenheiten, über die die Reifen abrollen. Die Fahrbahnunebenheiten werden mittels einer Fouriertransformation und unter zu Hilfenahme spektraler Unebenheitsdichten für unbefestigte Wege erzeugt. Der Antrieb durch den Fahrer erfolgt über einen Regelkreis, so dass dieser mit einem definierten Geschwindigkeitsprofil fährt. Auch für die Kurvenfahrt wird eine Regelung verwendet, die den Neigungswinkel an die Fahrsituation anpasst. Abb. 3: Mehrkörpersimulationsmodell eines Mountainbikes (MTB) mit Fahrer 44

45 Ausgewählte Veröffentlichungen Corves, B.; Detert, T.; Kurtenbach, S.; Riedel, M.: Evaluation of drive train concepts for a 3-DOF robotic structure. In: Proceedings of the RAAD 2012, 21th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region, September 10-13, Napoli, Italy. ISBN: , S.: Mannheim, T.; Riedel, M.; Hüsing, M.; Corves, B.: Konzipierung eines verstellbaren statischen Ausgleichs für einen Roboter mit parallelkinematischer Struktur. In: 16. VDI-Getriebetagung mit Fachausstellung, Bewegungstechnik 2012, 11. und 12. September 2012, Nürtingen bei Stuttgart. (VDI-Berichte ; 2175). ISBN: ISSN: , S.: Ivanov, I.; Corves, B.: Ein Ansatz zur Charakterisierung stoffschlüssiger Gelenke zwecks optimaler Auslegung eines Mikromanipulators. In: 16. VDI-Getriebetagung mit Fachausstellung, Bewegungstechnik 2012, 11. und 12. September 2012, Nürtingen bei Stuttgart. (VDI-Berichte ; 2175). ISBN: ISSN: , S.: Allmendinger, F.; Eschweiler, J.; Radermacher, K.; Corves, B.: On motion and force transmission in the human wrist: Approximating carpal bone surfaces with envelopes In: New Trends in Mechanism and Machine Science : Theory and Applications in Engineering: Springer, (Springer ebook Collection: Engineering).- ISBN: , ISSN: , , S./Art.: Barej, M.; Hoffmann, S.; Buffart, H.; Hüsing, M.; Corves, B.; Trautz, M: Approaches for Modeling of Deployable Folded Plate Structures In: 15th International Conference on Geometry and Graphics (ICGG), 1-5 August 2012, Montreal, Canada, Paper 60. Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

46 Institut für Schienenfahrzeuge und Fördertechnik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Torsten Dellmann IFS - Institut für Schienenfahrzeuge und Fördertechnik Seffenter Weg Aachen Tel.: / Fax: / sekretariat@ifs.rwth-aachen.de Studienrichtungen Maschinenbau (Bachelor) und Masterstudiengänge Maschinenbau sowie Wirtschaftsingenieurwesen FR Maschinenbau: Masterstudiengang Fahrzeugtechnik und Transport mit der Vertiefung Schienenfahrzeuge und der Vertiefung Fördertechnik. Im Interdisziplinären Bachelor- und Masterstudiengängen Mobilität und Verkehr (Bauing./Fak. 3): Grundlagenvorlesungen Schwerpunkte Forschung und Lehre auf den Gebieten der Schienenfahrzeuge und der Fördertechnik Personal 1 Professor, 0 Obering., 9 wiss. Mitarbeiter/-innen, 7 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 10 stud. Mitarbeiter/-innen 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. Bei der Entwicklung und Erprobung kann am IFS auf simulative und experimentelle Hilfsmittel zurückgegriffen werden. So werden neue Konzepte zunächst in der Computersimulation mit Matlab/Simulink sowie mit dem stark auf die Problemstellung der Schienenfahrzeuge abgestimmten Mehrkörper-Simulations-Programm Simpack überprüft. Werden die Konzepte weiter auf eine Realisierung hin entwickelt, so können sie auch auf Prüfständen (Rollprüfstand, Kraftschlussprüfstand, Messgleis, Katapultanlage u. a.) in der Versuchshalle des Instituts erprobt werden. Ebenso können auch Fahrzeugversuche auf dem Testgleis des Institutsgeländes durchgeführt werden. Es besteht ein Anschluss an das Netz der DB AG im Bahnhof Aachen West. Für weitergehende Testfahrten besteht eine Nutzungsvereinbarung für den Testring des Prüfcenters in Wegberg-Wildenrath. 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. 46

47 Ausgewählte laufende Projekte Fahrzeug/Fahrweg Das IFS unterstützt die Antragsteller bei der Zulassung von Schienenfahrzeugen in einer deutschen Großstadt. Dabei werden u.a. die für den Zulassungsprozess notwendigen Dokumente in enger Zusammenarbeit mit den Antragstellern und der Zulassungsbehörde abgestimmt. Ziel ist die Erstellung eines Leitfadens für alle Beteiligten, mit dem zukünftige Zulassungsprojekte auf kommunaler Ebene schneller und effizienter durchgeführt werden können. Forschungsprojekt Galileo above Im Rahmen des Projekts Galileo above werden Anwendungen satellitenbasierten Ortungssystemen für den Schienenverkehr erforscht. Das Erprobungsträgerfahrzeug des IFS wurde für die Anforderungen des Projektes mit geeigneter Sensortechnik ausgerüstet. Als erste Anwendungen werden eine automatische Zielbremsung und das kuppelbereiten Positionieren von Schienenfahrzeugen untersucht. Die übergeordnete Zielsetzung ist ein Rangierassistent, der ein automatisches Umsetzen von Güterwagen in einer Gleisharfe (sog. Flachrangieren) ermöglicht. Es wurden Messfahrten sowohl auf den institutseigenen Gleisen als auch im Eisenbahn-Prüfcenter in Wegberg-Wildenrath durchgeführt. Forschungsprojekt SiPoS-Rail Im Projekt SiPoS-Rail (Genauigkeitserhöhung und Integritätsprüfung von sicherheitsrelevanten Positionsinformationen mit Satellitennavigation für Anwendungen im Bahnsektor) wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Regelungstechnik IRT untersucht, wie aus einem Satellitennavigationssignal in Kombination mit festen Wegmarken im Gleis ein sicheres und bewertbares Positionssignal zur Verbesserung der Fahrzeug-Odometrie erzeugt werden kann. Am IFS wird eine Simulationsumgebung entwickelt, die sowohl die Konstellation und Signale der Navigations-Satelliten als auch die Fahrbewegungen und Sensordaten des Fahrzeugs nachbildet und so die Algorithmenentwicklung unterstützen kann. Eine Verifikation findet anhand von realen Testfahrten mit dem IFS-Erprobungsträger in Wegberg-Wildenrath statt. IFS-Erprobungsträger auf dem großen Testring T1 in Wildenrath Fahrzeug/Fahrweg Entwicklung eines Online-Check -Systems für Schienenfahrzeuge mit Echtzeitauswertung. Das Ziel des Projekts ist es, ein fahrwegseitiges Online-Sicherheitsüberwachungssystem für Schienenfahrzeuge bei Überfahrt bis 100 km/h zu installieren. Das Projekt wird von der Firma Hegenscheidt- MFD GmbH & Co. KG zusammen mit dem IFS bearbeitet. Die Aufgabe des Instituts ist es, den Zustand des Rades (z. B. eine Flachstelle) zu detektieren und eine geeignete Messmethode zu entwickeln und zu erproben. 47

48 Ausgewählte Veröffentlichungen Rütters, René; Breuer, Michael; Zhang, Junjie; Abel, Dirk; Lüdicke, Daniel: Comparison of State Estimation Filters for Safety Relevant Localization in Rail Applications, Based on the Milestone Based SiPoS-Rail Approach In: Proceedings of the 25th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute o... (2012), Lüdicke, Daniel; Dellmann, Torsten; Rütters, René: Sichere Positionierung eines Schienenfahrzeuges für automatische Rangierbewegungen In: Tagungsband / 12. Internationale Schienenfahrzeugtagung : September Dellmann, Torsten; Bernicke, Sebastian; Schindler, Christian; Schwickert, Martin: Leichtbau bei Schienenfahrzeugen - Bestandsaufnahme und Potentiale; Teilprojekt A: Vollbahn-Fahrzeuge, Teilprojekt B: Straßen- und Stadtbahn- Fahrzeuge Berlin : Georg Siemens Verlag GmbH Piffka, Sebastian Peter: Hybrid, Hype oder Fortschritt? In: Ingenieur-Spiegel : Fachmagazin für Ingenieure (2012), 2, Dellmann, Torsten; Abdelfattah, Basem: Vergleich der dynamischen Eigenschaften von Radsatz und Losradpaar - Ein theoretischer Beitrag zu einer fast vergessenen Technik In: ZEVrail : Glasers Annalen (2012), 10, Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

49 Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University Forschungsschwerpunkt Das Institut für Kraftfahrzeuge beforscht als Teil der RWTH Aachen University das Gesamtfahrzeug einschließlich seiner Systeme und deren Wechselwirkungen. Von der Idee über innovative Komponenten- und Systemkonzepte bis hin zum Fahrzeugprototypen gestalten die über 350 Mitarbeiter des Institutes das Fahrzeug der Zukunft. Das ika leistet sowohl in öffentlichen Projekten als auch in Kooperation mit Automobilherstellern und -zulieferern einen anerkannten Beitrag zur Lösung der aktuellen Herausforderungen. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein IKA - Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University Steinbachstraße Aachen Tel.: / Fax: / office@ika.rwth-aachen.de Studienrichtungen Diplom Maschinenbau; Bachelor Maschinenbau, Bachelor Mobilität und Verkehr, Bachelor Computational Engineering Science, Bachelor Informatik; Master Fahrzeugtechnik und Transport, Master Mobilität und Verkehr, Master Energietechnik, Master Allg. Maschinenbau, Master Computational Engineering Science, Master Produktionstechnik, Master Informatik, Master Entwicklung und Konstruktion, Master Verfahrenstechnik Schwerpunkte Fahrzeugtechnik, Agrartechnik, Alternative und elektrifizierte Fahrzeugantriebe, Diagnose und Sicherheitsbetrachtung aktueller und zukünftiger Fahrzeugsysteme, Fahrzeugdesign, Faserverbundwerkstoffe, Fluidtechnik für mobile Anwendungen, Industrielle Nutzfahrzeug-Entwicklung, Industrieller Entwicklungsprozess von PKW-Antrieben, Kraftfahrlabor, Kraftfahrzeug-Akustik, Krafträder, Kunststoffe im Kraftfahrzeug, Mechatronische Systeme in der Fahrzeugtechnik, Strategien in der Kfz-Industrie, Strukturentwurf von Kraftfahrzeugen, Ursachenanalyse bei Kraftfahrzeugunfällen»» Personal 2 Professoren, 2 Obering./-innen, 89 wiss. Mitarbeiter/-innen, 75 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 191 stud. Mitarbeiter/-innen 49

50 Ausgewählte laufende Projekte SpeedE Im Vergleich mit konventionellen Fahrzeugen erfüllen heutige Elektrofahrzeuge Kundenerwartungen häufig nur eingeschränkt. Daher soll das Fahrzeugkonzept SpeedE eine herstellerneutrale Plattform zur Entwicklung und Demonstration innovativer Technologien im Kraftfahrzeug bereitstellen und dazu beitragen, einen erlebbaren Mehrwert der Elektromobilität zu schaffen, Design-Technik-Konvergenzprozesse zu erarbeiten sowie das Innovationspotential von Elektrofahrzeugen aufzuzeigen. Das Konzept zeigt vielfältige Innovationen wie z.b. die Sidestick-Steuerung der Steer-by-Wire-Lenkung, neuartige Fahrdynamikfunktionen und rangierfreies Parkieren. Im weiteren Verlauf des Projekts wird ein Gesamtfahrzeug- Prototyp gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung aufgebaut. Das Fahrzeugkonzept SpeedE des ika i-trail Im Rahmen des vom Land NRW geförderten Projekts wurde gemeinsam mit sieben weiteren Partnern ein seriennaher Lkw-Trailer in Leichtbauweise entwickelt und aufgebaut. Wichtige Teilaspekte dieses Projekts waren die Entwicklung und Untersuchung von Ansätzen für eine intelligente Regelung der Dämpfungskräfte an den Achsen, die Entwicklung und Untersuchung von Konzepten für die Hybridisierung eines Nfz-Trailers sowie die Entwicklung von Ansätzen für sicherheitsunterstützende FAS. Das Ziel dieses Projektes ist neben der Reduktion des Energiebedarfs, des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emmisionen die Schonung von Ressourcen, Infrastruktur und Ladegut sowie die Steigerung von Sicherheit und Laderaumausnutzung. Der Leichtbautrailer aus dem Projekt i-trail eurofot eurofot wurde im 7. Rahmenprogramm der Europäischen Kommission durchgeführt und untersuchte das Potential von Fahrerassistenzsystemen (FAS) zur Steigerung von Sicherheit, Energieeffizienz sowie Optimierung des Verkehrsflusses. Auf Basis von Feldversuchen wurde die Wirkung von FAS im realen Verkehr validiert. Dazu wurden 1500 Testfahrzeuge unterschiedlicher Hersteller und mit verschiedenen in Serie befindlichen Assistenzsystemen wie z.b. Adaptive Cruise Control, Forward Collision Warning, Lane Keep Assist, Blind Spot Information oder Fuel Efficiency Advisory verwendet. Light-eBody Das vom BMBF geförderte Projekt entwickelt eine großserientaugliche Leichtbau-Karosserie in Multimaterialbauweise. Wesentliche Elemente dabei sind neue Materialkonzepte und Herstellungsprozesse, eine strukturintegrierte Batterie als lastragendes Element sowie die Weiterentwicklung der erforderlichen Simulationsmethoden und Fügetechniken. Die gemeinsame Arbeit der Projektpartner aus Forschung und Industrie ermöglicht die Entwicklung neuer wirtschaftlich wie wissenschaftlich innovativer Lösungen, die eine neue Mobilitätskultur unterstützen. Das ika war Teil des Lenkungsausschusses und neben der Mitarbeit in den Arbeitspaketen Datenmanagement und Methodik sowie Versuchsdurchführung für die Leitung des Bereichs Evaluation, Bewertung der Auswirkungen und Kosten/Nutzen-Analyse verantwortlich. 50

51 e performance Gefördert vom BMBF wurde gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung über drei Jahre hinweg eine skalierbare Systemarchitektur für Elektrofahrzeuge der Zukunft erarbeitet. Im September 2012 wurde das gemeinsam aufgebaute Demonstratorfahrzeug F12 präsentiert. Es zeigt innovative technische Lösungen auf den Gebieten Energiespeicher, Energiemanagement, Antriebsstrang, Leistungselektronik, Thermomanagement, Bordnetz, Akustik, Leichtbau und passive Sicherheit. Hervorzuheben sind der kompakte Vorderachsantrieb, das crashdeformierbare Batteriesystem, die spezielle Mensch-Maschine- Schnittstelle und die besondere Hochvolt-Topologie. Der modulare Aufbau ergibt einen flexiblen Technikbaukasten und das Vorantreiben neuer technischer Ansätze. Die enge Kooperation der Projektpartner ermöglichte die direkte Umsetzung vieler Entwicklungen und die Ableitung von Technologien für zukünftige Elektrofahrzeuge. CONVENIENT Analysen zur Energieverbauchsreduzierung von Schwerlast-Lkw zeigen, dass der Kraftstoffverbrauch für rund 30 % der Betriebskosten verantwortlich ist. Das von der EU geförderte Projekt untersucht daher geeignete Methoden zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs. Dazu werden drei Prototypen der Marken DAF, VOLVO und IVECO mit Energierückgewinnungssystemen aufgebaut, analysiert und bewertet. Wichtige Elemente der Verbrauchsreduktion sind ein ganzheitliches Energiemanagement, eine fahrerunterstützende Vorausschau, elektrifizierte Nebenaggregate, eine aktive Aerodynamik, Leichtlaufachsen und Photovoltaik-Elemente. Nach der Konzeptphase und simulativen Voruntersuchung werden die Gesamtfahrzeugarchitektur festgelegt und Energiemanagement-Algorithmen entwickelt. Die Ergebnisse dienen dem Aufbau und der Inbetriebnahme der Prototypen und deren Validierung. Das Demonstratorfahrzeug F12 des Projekts e performance e-gomotion Europaweit kooperieren Universitäten in dem vom 7. Rahmenprogramm der Europäischen Kommission finanzierten Projekt, um Schüler und Studenten frühzeitig auf die Anforderungen zukünftiger Mobilität vorzubereiten. e-gomotion möchte die Begeisterung für nachhaltige Mobilität wecken und insbesondere Jugendliche motivieren, auch technische Kurse zu belegen bzw. später im Studium und Beruf neue Mobilitätskonzepte zu erforschen. Ein weiterer Baustein des Projekts ist die e-gomotion Academy, eine Web School zur Weiterbildung aller Interessierten. Darüber hinaus wurden Road Shows an weiterführenden Schulen in ganz Europa sowie Informationsveranstaltungen auf Karriereberatungstagen und Jobmessen durchgeführt. Die Teilnehmer des Talentwettbewerbs aus dem e-gomotion-projekt 51

52 Ausgewählte Veröffentlichungen Eckstein, L.: Zlocki, A.; Benmimoun, M.: Advanced Driver Assistance Systems: Benefit Evaluation Method and User Acceptance for Adaptive Cruise Control and Collision Warning System. Transportation Research Bord (TRB), Washington, 2012 Ginsberg, S.; Schüssler, M.; Allmann, C.: Research project e performance - Design approach for a holistic BEV. 26th Electric Vehicle Symposium (EVS26), Los Angeles, 2012 Eckstein, L.; Lesemann, M.; Faßbender, S.; Funcke, M.; Ickert, L.; Malmek, E.-M.; Wismans, J.: Customer Expectations and Technical Solutions for Third Generation Electric Vehicles First Results of the ELVA Project. Stuttgarter Symposium 2012, Stuttgart, 2012 Eckstein, L.; Bouvy, C.; Ernst, C.; Baltzer, S.: Range-Extender als mobile Kraft-Wärme-Kopplungs Einheit; Automobiltechnische Zeitschrift, Ausgabe Oktober 2012»» Eckstein, L.; Klein, M.: Development Tool for the Optimization of Vertical Dynamics in Chassis Development. Chassis.tech plus 2012, München,

53 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. Den zunehmend gestalterischen Anforderungen an maschinenbauliche Erzeugnisse als auch Konsumgütern begegnet das ikt durch den sukzessiven Ausbau an Designkompetenz. Neben ausgeprägten Kooperationen mit internationalen Designzentren wie CCS (Detroit), UC (Cincinnati) und Hongik (Seoul) wird auch die Lehrveranstaltung Industrial Design (ID), sowohl für das Hauptdiplom Maschinenbau, als auch für Bachelor- und Masterstudiengänge angeboten. Unter dem Namen ProVerStand (Produktentwicklung über Verteilte Standorte) bietet das ikt zentral gehostete Produktdatenmanagement Systeme und assoziierte Dienste für sämtliche Hochschulen in NRW (max Nutzer) und durch die Aktitvitäten im PACE-Verbund (pacepartners.org) auch international für Forschungseinrichtungen an. Die im Hochschulumfeld einzigartige Serverinfrastruktur und Lizenzierung ermöglicht eine industrie- und anwendungsnahe Forschung, aus der eine Vielzahl an Methoden und Werkzeugen für das Wissens-, Daten- und Innovationsmanagement hervorgegangen sind. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus Steinbachstraße 54B Aachen Tel.: / /42 Fax: / Studienrichtungen alle B.Sc., Entwicklung und Konstruktion M.Sc., Konstruktion & Entwicklung Diplom Schwerpunkte Konstruktionslehre, allg. Konstruktionsprozess und Methodik des industriellen Konstruktionsprozesses, Produktinnovation, Product Lifecycle Management, Hybride Strukturen, CAE, Systems Engineering, Industrial Design»» Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 14 wiss. Mitarbeiter/-innen, 10 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 50 stud. Mitarbeiter/-innen 53

54 Ausgewählte laufende Projekte Sustainable Urban Transport 2030 werden mehr als 60% der Weltbevölkerungen in urbanen Ballungsräumen leben und dies eine besondere Herausforderung an die öffentliche Infrastruktur mit Bezug zu Energiebedarf, Emissionen, Auslastung, Sicherheit und Verfügbarkeit von nahtloser Mobilität stellen. In einem auf zwei Jahre angelegten Projektzeitraum entwickelt das ikt mit Partnern aus Amerika und Korea ein Sustainable Urban Transport Vehicle. Hierbei handelt es sich um ein Fahrzeug zur Beförderung von 2 Personen, welches ein nachhaltiges Antriebskonzept aufweist und die Individualmobilitätsbedürfnisse in Metropolregionen adressiert. Beginnend von der Marktanalyse über das Transportation Design und Engineering bis hin zur Produktionsplanung konnten durch die Erkenntnisse im Forschungsteam relevante Beiträge für die Entwicklung von ökologischen Fahrzeugkonzepten für zukünftige Mega-Cities geleistet werden. Das Team des ikt mit seinen internationalen Partnern wurde für dieses Projekt mit dem ersten Platz als Gesamtsieger Sustainable Urban Transport Vehicle - Ready for Production von General Motors in 2012 ausgezeichnet. Sustainable Urban Transport Vehicle Entwicklungsmethodik für Multitechnologieplattformen Im Rahmen des von der DFG geförderten Exzellenzclusters Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer forscht das ikt im Bereich der systematischen Entwicklung von neuartigen Multitechnologieplattformen und leistet damit einen bedeutenden konstruktionsmethodischen Beitrag für die Produktionstechnologie von morgen. Im Speziellen beschäftigt sich das ikt mit den Bereichen Anforderungsermittlung und -management, Generierung von Prinziplösungen sowie dem konzeptionellen Erstellen von Produktarchitekturen zur modularen Gliederung der Werkzeugmaschinen. Ziel ist es, eine methodische Unterstützung im Sinne eines Entwicklungsleitfadens für Maschinenhersteller zu erarbeiteten. Hierzu wurde die Methodik der Adaptiven Funktionstemplates konzipiert. Diese umfasst neben der traditionellen Betrachtung von sog. Hauptflüssen ergänzend den Verlauf des zu fertigenden Werkstücks und ermöglicht es so, durch gezielt steuerbare Funktionsintegration das Konzept mit dem größten fertigungstechnischen Integrationspotential zu ermitteln. Darüber hinaus ist ein Modell zur adaptiven Komposition und Dekomposition von Funktionsbausteinen in Templates geschaffen worden. Entwicklung eines durchgängigen Einstiegshilfesystems im ÖPNV für Menschen mit Mobilitätshandicap Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines neuartigen Einstiegsrampensystems für Niederflurfahrzeuge. Aktuell weisen nur ca. 5% aller Fahrzeuge einen barrierefreien Zugang auf, wodurch Menschen mit Bewegungshilfen die Nutzung des öffentlichen Nahverkehrs maßgeblich erschwert wird. Bestehende Technologien finden insbesondere aufgrund von Anfälligkeit und den konzeptbedingt hohen Verfahrzeiten im Betrieb geringe Akzeptanz. Vor diesem Hintergrund wird unter Leitung des ikt in einem interdisziplinären Forschungskonsortium ein modulares Einstiegsrampensystem zur Reduzierung von Betriebsfehlern und zur Minimierung der Reparaturausfallzeiten konzipiert. Weiterer Innovationsschwerpunkt sind Ein- und Ausfahrdichtungen in Kombination mit einer Selbstreinigungsfunktion sowie die Sensor- und Regeltechnik zur Erkennung und Lagepositionierung der Betriebszustände. Die modulare Architektur stellt in weiteren Ausbauphasen eine Adaption für die Anwendung in den Kategorien Hochflurfahrzeuge sowie im Bussegment sicher und deckt zusätzlich als Nachrüstlösung 90% aller relevanten Fahrzeuge ab. Dieses Projekt wird durch das BMWI gefördert. 54

55 Personal Assisted Mobility Device Der öffentliche Nahverkehr wird aufgrund der Urbanisierung weiter an Bedeutung gewinnen. Im Rahmen einer durchgängigen Lösung ist das Gebiet des First/Last Mile Scenarios bislang allerdings nur unzureichend abgedeckt. Dies beinhaltet unter anderem den Transfer zwischen der nächstgelegenen U-Bahn oder Metro und Arbeitsstätte bzw. Wohnung. Dieses fehlende Glied in der Transportkette entwickelt das ikt gemeinsam mit deutschen und amerikanischen Forschungseinrichtungen als Personal Assisted Mobility Device, einem ultraleichten und portablen Gerät, welches als Fahrzeug geringe Distanzen abdeckt und so als Bindeglied mit dem öffentlichen Nahverkehr genutzt wird. Dieses Projekt ist auf eine Laufzeit von 2 Jahren bis zum funktionalen Prototypen ausgelegt. Personal Assisted Mobility Device Das ikt ist kompetenter Ansprechpartner sowohl im Prozess- und Datenmanagement als auch in produktrelevanten Fragestellungen entlang des Lebenszyklus. Insbesondere werden am Institut und Lehrstuhl Forschungsinhalte bearbeitet, die dem gestiegenem Innovationsbedarf einerseits und dem Wissensmanagement andererseits Rechnung tragen. In der industriellen Anwendung fehlt es bislang an einer durchgängigen Verknüpfung von unternehmensinternen und externen Ideen zur Produktinnovation mit den Randbedingungen des Unternehmens wie Produktknowhow, Strategie und Technologieplanung. Vor allem mittelständische Unternehmen besitzen oftmals nicht die notwendigen Ressourcen und Kapazitäten um ein durchgängiges Datenmanagement unter Einbeziehung von Ideenmanagement und der Kopplung mit dem Produktbestand sowie Informationen aus späteren Lebenszyklusphasen realisieren zu können. Die vor diesem Hintergrund entwickelte Methodik zur PDM-basierten Innovationsplanung soll dem genannten Anwenderkreis als Leitfaden dienen und eine Systematisierung im Product Lifecycle Management unterstützen. 55

56 Ausgewählte Veröffentlichungen Feldhusen, Jörg; Milonia, Eliseo; Nagarajah, Arun; Neis, Jan; Schubert, Sebastian: Enhancement of adaptable product development by computerised comparision of requirement lists In: International journal of product lifecycle management : IJPLM.-6, 1, Aufsatz in Fachzeitschrift - Druck Online Raymond Djaloeis, Sönke Duckwitz, Malte Hinsch, Jörg Feldhusen, Christopher Schlick, 2012: Analysis of Human Reliability in Computer-Aided Design. In: SMC 2012: Conference Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (IEEE SMC 2012); October 14-17, 2012, COEX, Seoul, Korea, S Piscataway: IEEE Wenyu Wu, Alex Brezing, 2012: Bauhaus and Ming-Style - A Comparative Study to Contribute to the Understanding of Cultural Impact on Product Design. In: Design Education for Future Wellbeing: Proceedings of the 14th International Conference on Engineering and Product Design Education;; EPDE 2012 / eds: Lyndon Buck; G. Frateur; W. Ion; C. McMahon; C. Baelus; G. De Grande and S. Verwulgen, S Glasgow: Institution of Engineering Designers, The Design Society Alex Brezing, Anne-Katrin Kämpf, Jörg Feldhusen, 2012: Die rechnergestützte Topologieoptimierung als Ansatz zur Unterstützung des Industrial Designs bei der Gestaltung struktureller Bauteile. In: Entwerfen entwickeln erleben: Methoden und Werkzeuge in der Produktentwicklung [EEE2012]; 10. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik; KT 2012; Residenzschloss Dresden, Juni 2012 / Hrsg. v.: Mario Linke..., S Technisches Design; 8. Dresden: TUDpress Katharina Franz, Ralf Hörnschemeyer, Arthur Ewert, Martina Fromhold-Eisebith, Markus Große Böckmann, Robert Schmitt, Katja Petzoldt, Christoph Schneider, Jan Erik Heller, Jörg Feldhusen, Kerstin Büker, Johannes Reichmuth, 2012: Life Cycle Engineering in Preliminary Aircraft Design. In: Leveraging technology for a sustainable world, 19th CIRP Conference on Life Cycle Engineering, University of California at Berkeley, Berkeley, USA, D. A. Dornfeld; B. S. Linke, ed., S Berlin: Springer Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

57 Lehrstuhl für Textilmaschinenbau und Institut für Textiltechnik Forschungsschwerpunkt Zukunftsfelder: Mobilität Bauen und Wohnen Life Sciences Energie Prozessketten: Technische Textilien Textile Preforms Vliesstoffe medizinische Implantate Smart Textiles Technologiefelder: Hochmodulfasern Chemiefaserverarbeitung textile Garnherstellung textile Flächenherstellung Beschichtung Fügen Spezialthemen: Tribologie Recycling Nachwachsende Rohstoffe Besondere Kompetenzfelder: Simulation Polymeranalytik Prozessanalyse Textilwirtschaft Univ.-Prof. Professor h.c.(ru) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Thomas Gries ITA - Lehrstuhl für Textilmaschinenbau und Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University Otto-Blumenthal-Straße Aachen Tel.: / Fax: / ita@ita.rwth-aachen.de Studienrichtungen Textiltechnik Schwerpunkte Faserwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe, Textile Herstellungsverfahren, Technische Textilien, Medizintextilien, Textile Fertigungs- und Prüftechnik, Textile Anwendungen, Qualitätssicherung und Simulation»» Personal 2 Professor, 5 Obering./-innen, 80 wiss. Mitarbeiter/-innen, 50 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 150 stud. Mitarbeiter/-innen 57

58 Ausgewählte laufende Projekte Automotive Entwicklungs- und Prüfzentrum für innovative Textilien im Automobilinnenraum: Automotive Interior Center (AIC) Ziel2.NRW (12/ /2015) Chemiefaserverarbeitung/Polymere Autopos - Auslegungs-Tool für polymerspezifische Spinnpakete: Schneller vom Polymer zur Faser AiF (12/ /2014) CO2 Based Products From Dream to Reality European Institute of Innovation & Technology (01/ /2014) HiPer Sizing High performance sizings for glass fibers for the use in light weight composite materials Ziel2 CheK.NRW (04/ /2015) icarbon Entwicklung & Umsetzung eines innovativen Heizverfahrens zur Stabilisierung bei der Carbonfaserherstellung ZIM (01/ /2014) Faserverbundwerkstoffe Entwicklung eines neuartigen hochproduktiven Verfahrens zur Herstellung von textilen Preforms für Faserverbundwerkstoffe (Kurztitel: Preformnähen) Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (ZIM) (06/ /2014) Geflochtene FVK-Crashstrukturen AiF Zutech (01/ /2014) Medizintechnik Entwicklung einer neutral degradierbaren mit Markern versehenen textilbasierten Grundstruktur für einen tissue engineerten Dialyse-Shunt EU (EFRE) / MIWF (08/ /2013) Entwicklung eines innovativen, hochelastischen Netzimplantats für die Hernienchirurgie (E-Mesh) BMBF - KMU Innovativ (06/ /2015) Entwicklung und Testung eines bioresorbierbaren flussmodellierenden Kunststoffstents für die Gefäßimplantation zur Ausschaltung intrakranieller Aneurysmen (BioReS) BMBF, Fördermodul I (Innovationswettbewerb BASIS) (02/ /2014) Polylactid Fasern mit ph optimiertem Abbauverhalten ERS RWTH (08/ /2015) PulmoStent - Development & Evaluation of a Viable Stent Device for the Treatment of Broncho Tracheal Cancer Seventh Framework Programme of the European Union (FP7/ under grant agreement n NMP3-SL ) (04/ /2015) Textile Medizinprodukte aus biomimetisch hergestellter Seide mit integrierten Wirkstoffen für die innovative Behandlung chronischer Wunden Ziel 2 (06/ /2014) Textilbasierte Herzklappe Herstellung eines Druckbehälters im Umflechtprozess (Druckbehälter Flechten) Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) (02/ /2014) MACH-to Industrial validation of Nu-Wave new generation of sustainable and efficient textile machinery and development of a strategy to enter the market Seventh framework Programm of the EU, Grant Agreement No (08/ /2014) Fügetechnologien Entwicklung einer Methodik zur Integration von Online-Messsytemen für Heizkeil-/Heißluftschweißverfahren von Markisenstoffen und Filtersystemen (QualiWeldTex) AiF (09/ /2014) Hochwärmeleitfähiger CFK Smart Textiles Akustikdecke - Innovativer Schallabsorber als Raugewebe für einen nachhaltigen Produktionsprozess AiF (ZIM) (09/ /2014) KoSTBar - Kontinuierliche Fertigung von 3D-Smart-Textiles-Bandgewebe am Beispiel funktionalisierter Evakuierungsmatten BMBF (kmu innovativ) (09/ /2014) 58

59 Textiles Bauen Geformte textile Bewehrungselemente für Betonbauteile DFG - SFB 532 Transferprojekt T08 (01/ /2014) Interdisziplinäre Laborstudie fokussiert auf Form, Material und Funktion zur anwendungsorientierten und marktspezifischen Ausrichtung von Textilbeton (FoMaFu) RWTH Humtec Seed Fund (04/ /2014) Textilbewehrte Spritzmörtelschichten zur Instandsetzung von Wasserbauwerken DFG - SFB 532 Transferprojekt T09 (01/ /2014) Textilmaschinen/Produktionstechnik Multi Non-Crimp - Auslegung, Produktion und Prüfung von Mehrlagengewebe mit eingestellter Ondulation / Composites based on non-crimp multilayer-woven fabrics ERA SME/AiF-Projekt (10/ ) TechnoLeno - Multipler Einsatz des Propellerdrehers zur Herstellung von weitmaschigem und gleichzeitig verschiebefestem Drehergewebe für technische Anwendungen ZIM (06/ /2014) Ultrafeine, technische Gestricke für Filtrationsanwendungen ZIM (02/ /2013) Interaktives Kissen 3D-Needle-Weave - Neuartige Nadeltechnologie zur Herstellung von 3D- Profilgeweben ZIM (01/ /2014) BIOFIBROCAR - Schmelzspinngarne aus kompostierbaren Biopolymeren für Fahrzeuginnenräume / Melt spun fibres based on compostable biopolymers for application in automotive interiors EU (01/ /2015) EcoMeTex - Ecodesign methodology for recyclable textile coverings used in the European construction and transport industry European Union (05/ /2015) Energieeffizienter Fasertransport Ziel2.NRW (09/ /2014) Ultrageschweißte Luftkammer Energieverbrauchsreduzierung durch verbesserte Ansteuerung von Stafettendüsen beim Luftdüsenweben (EvereSt) AiF (02/ /2014) Entwicklung einer nicht brennbaren Decke aus Glasfasern für den Objektund Verkehrsmittelbereich ZIM (05/ /2014) Entwicklung innovativer Färbespulen zur Kostensenkung in der Spulenfärberei und in der Flächenbildung mit Hilfe eines praxisgerechten Ansatzes AiF (05/ /2014) Erhöhung der Energieeffizienz des Kurzfaser Airlaid-Vliesbildungsprozesses IGF / AiF (08/ /2014) Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer (EXC 128) DFG (11/ /2017) Fibriltex - Microfibrillär verstärkte Textilien und Polymercomposites AiF (Cornet) (11/ /2014) 59

60 Ausgewählte Veröffentlichungen Vad, T.; Wulfhorst, J.; Pan, T.-T.; Steinmann, W.; Dabringhaus, S.; Beckers, M.; Seide, G.; Gries, T.; Sager, W.F.C.; Heidelmann, M.; Weirich, T.E.: Orientation of well-dispersed multiwalled carbon nanotubes in melt-spun polymer fibers and ist impact on the formation of semicrystalline polymer structure : a combined wide-angle X-ray scattering and electron tomography study Macromolecules 46 (2013), H. 14, S , doi: / ma Steinmann, W.; Walter, S.; Beckers, M.; Seide, G.; Gries, T.: Thermal analysis of phase transitions and crystallization in polymeric fibers In: Elkordy, Amal Ali (Ed.): Applications of Calorimetry in a Wide Context: Differencial Scanning Calorimetry, Isothermal Titration Calorimetry and Minicalorimetry. Chapter Rieka, Croatia: InTech Europe, 2013, S , doi: /54063 Kravaev, P.; Stolyarov, O.; Seide, G.; Gries, T. A method for investigating blending quality of commingled yarns Textile Research Journal 83 (2013), H. 2, S doi: / Alagirusamy, R.; Eichhoff, J.; Gries, T.; Jockenhövel, S. Coating of conductive yarns for electro-textile applications The Journal of the Textile Institute 104 (2013), H. 3, S doi: / Pico, D.; Wilms, C.; Seide, G.; Gries, T.; Kleinholz, R.; Tiesler, H.; Fibers, 12. Glass Fibers Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry. 7. edition, release Weinheim [u.a.] : Wiley-VCH, 2012, doi: / o11_o01.pub2 Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

61 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. 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. 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. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Edmund Haberstroh LFK - Lehr- und Forschungsgebiet Kautschuktechnologie Kackertstraße Aachen Tel.: / Fax: / kontakt@lfk.rwth-aachen.de Studienrichtungen Kunststofftechnik Schwerpunkte Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich Kautschuktechnologie und Kunststofftechnik Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 3 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 5 stud. Mitarbeiter/-innen 61

62 Ausgewählte laufende Projekte Wärmekontaktfügen hybrider Kunststoff-Metall-Verbunde Das LFK ist als assoziiertes Mitglied des Exzellenzclusters Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer an der Entwicklung eines neuen Verfahrens zum Fügen von Kunststoff-Metall-Hybridverbindungen beteiligt. Dabei wurde ein Prozess entwickelt, der das thermische Fügen von Hybridverbindungen mittels Wärmeleitung ermöglicht. In einem weiteren Schritt wurde das Wärmeleitungsfügen zum Wärmekontaktfügen weiterentwickelt (Abb. 1). Dieses bietet den Vorteil, den metallischen Fügepartner durch einen kurzen Wärmeimpuls mit Hilfe eines dauerbeheizten Heizstempels schnell und gezielt zu erwärmen. Des Weiteren wurde der Prozess mit dem Ziel einer höheren Reproduzierbarkeit und schnellerer Taktzeiten automatisiert. Um die prozessrelevanten Parameter zu erfassen, wurde ein Weg- und ein Kraftaufnehmer installiert, mit denen Abschmelzwege und Fügekräfte untersucht wurden. Durch den eingebrachten Kraftaufnehmer und ein Proportionaldruckventil konnte zusätzlich eine druckvariable Prozessführung realisiert und unterschiedliche Fügedrücke während des Fügevorgangs untersucht werden. Die vorhandene Anlage ist jedoch durch die eingebrachten Sensoren und den Steueraufwand an ihre Grenzen gekommen. Aus diesem Grund ist eine Neukonstruktion der Anlage unter Berücksichtigung der aus dem alten Konzept gewonnenen Erkenntnisse durchgeführt worden. Ziel bei der Neukonstruktion war vor allem eine bessere Positionierung der Sensoren und damit eine bessere Aufzeichnung der Parameter sowie eine größere Bauform, um auch industrierelevante Geometrien fügen zu können. Mit Hilfe der Erkenntnisse aus den Grunduntersuchungen und neuen Untersuchungen an komplexeren Geometrien soll die Möglichkeit einer Gestaltungsrichtlinie für eine beanspruchungsgerechte Auslegung von thermisch gefügten Kunststoff-Metall-Verbindungen untersucht werden. Zusätzlich werden auch Verbindungen untersucht, die vor dem Hintergrund eines zielgerichteten Leichtbaus vielversprechend erscheinen. Hier ist vor allem die Verbindung von Metallen mit sogenannten Organoblechen, bei denen es sich um endlosfaserverstärkte Halbzeuge mit thermoplastischer Matrix handelt, interessant (Abb. 2). Bei dieser Kombination können sehr hohe Verbundfestigkeiten erzielt werden. Ergänzend werden zur Zeit die Aufheiz- und Abkühlphasen simulativ betrachtet, um schneller optimale Prozessfenster zu finden und ein tiefergehendes Verständnis für den Fügeprozess zu entwickeln. Dabei werden insbesondere die Prozesse der Wärmeübertragung und des Aufschmelzen und Fließen des Kunststoffes in der Simulation gekoppelt betrachtet, wodurch genauere Aussagen mit Hilfe der Simulationsergebnisse möglich werden. Abb. 2: Geprüfte Zug-Scherproben aus Edelstahl und endlosfaserverstärktem Polyamid 6 Abb. 1: Weiterentwicklung der Anlagentechnik für das Wärmeleitungsfügen hybrider Kunststoff-Metall Verbindungen 62

63 Ausgewählte Veröffentlichungen Hao, Da; Haberstroh, Edmund: Doppelschneckenextruder in Kaskadenanordnung für die kontinuierliche Herstellung von Silicamischungen. In: KGK Kautschuk, Gummi, Kunststoff, 11-12/2012, pp »» Flock, Dustin; Sickert, Michael; Haberstroh, Edmund: Temperaturermittlung beim Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen. In: GAK Gummi, Fasern, Kunststoffe, 11/2012, pp

64 Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann IKV - Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen Pontstraße Aachen Tel.: / Fax: / zentrale@ikv.rwth-aachen.de Studienrichtungen Kunststofftechnik: Werkstoffe, Faserverbundwerkstoffe, Bauteilauslegung, Werkzeuge, Verarbeitungsmaschinen, Prozessanalyse, Veredeln Schwerpunkte Integrative Betrachtung der Produktentwicklung mit ihren Aspekten Werkstoff, Konstruktion und Verarbeitung für Kunststoff und Kautschuk Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 77 wiss. Mitarbeiter/-innen, 51 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 190 stud. Mitarbeiter/-innen 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 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. Industrie-Kooperationen Träger des Instituts ist eine gemeinnützige Fördervereinigung, der zurzeit 235 Unternehmen der Kunststoffbranche weltweit angehören. Die Mitgliedsfirmen und Projektpartner stellen dem IKV im Rahmen gemeinsamer Projekte Maschinen, Anlagen und Geräte für Forschungszwecke zur Verfügung. 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. IKV-Fachtagungen Das IKV bietet im Jahr acht bis zehn Fachtagungen zur Kunststoffverarbeitung an. Referenten aus dem IKV und Experten der Kunststoffbranche tragen den neuesten Stand der Technik aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammen. Alle zwei Jahre findet das Internationale Kunststofftechnische Kolloquium statt, das einen Überblick über die Forschungsarbeiten des IKV gibt. 64

65 Ausgewählte laufende Projekte Funktionale Oberflächen durch Mikro- und Nanostrukturen Mikrostrukturierte Oberflächen sind für eine Vielzahl von Natur-Effekten verantwortlich. Derartige Effekte gilt es für technische Anwendungen zu erschließen und in der Massenfertigung zu reproduzieren. Die Entwicklung geeigneter Herstellprozesse für diese Oberflächenstrukturen, deren Beherrschung und nicht zuletzt deren Verständnis ist folglich für eine industrielle Nutzung notwendig. Im Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer der RWTH Aachen untersucht das IKV in Kooperation mit dem IOT und dem ILT Produktionsketten zur Herstellung derartiger Strukturen für die Massenfertigung. Der variotherme Extrusionsprägeprozess bietet sich für die schnelle und kostengünstige Herstellung von mikrostrukturierten Kunststofffolien an. Entscheidend für die Prozessführung ist die Implementierung des variothermen Heizkonzepts, bei dem, zusätzlich zur konventionellen Heizung, mittels Laser ein Temperaturprofil erzeugt wird, was die Herstellung funktionaler Oberflächen mit hoher Abformgenauigkeit in einem einstufigen Prozess ermöglicht. Experimentelle und simulative Untersuchungen zur Replikation einer Lotusblattähnlichen Struktur wurden durchgeführt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Möglichkeit, sowohl Oberflächenstruktur als auch Funktionalität der Oberfläche gezielt durch die Prozessführung zu verändern (Abb.1). Selbstoptimierende Fertigungssysteme bei schwankenden Prozessbedingungen Aktuelle Fertigungssysteme erlauben zunehmende Einstellungsmöglichkeiten bei gleichzeitig steigenden Qualitätsanforderungen. Selbstoptimierende Fertigungssysteme ermöglichen eine hohe Reproduzierbarkeit der Produktion sogar bei schwankenden Prozessbedingungen. Die konventionelle Prozessführung beim Spritzgießen basiert auf Maschinengrößen, die solche Prozessschwankungen nicht kompensieren und daher eine konstante Formteilqualität nicht gewährleisten können. Das Ziel der selbstoptimierenden Prozessführung ist es, die Effekte der Prozessschwankungen zu kompensieren, eine erhöhte Reproduzierbarkeit zu erreichen und damit eine konstante Formteilqualität zu gewährleisten. Beim Konzept zur Selbstoptimierung teilt sich das System in eine modellbasierte Optimierung (MO-System) und verschiedene informationsverarbeitende Sensor-Aktor Systeme (ISA-Systeme) auf (Abb. 2). Durch Sensorik (Temperatur und Druck) in der Werkzeugkavität wird der aktuelle Arbeitspunkt bestimmt. Dieser wird benötigt, um mit dem MO-System den optimalen Verlauf der Prozessgröße Werkzeuginnendruck zu berechnen. Der optimale Werkzeuginnendruckverlauf wird als interne Zielvorgabe an ein weiteres ISA-System weitergegeben, das selbstständig mithilfe einer Online-Regelung des Werkzeuginnendrucks die internen Vorgaben realisiert und so thermische Störungen direkt kompensiert. Abb. 1: Variation von Oberflächengeometrie und Funktionalität durch gezielte Prozessführung Abb. 2: Konzept des selbstoptimierenden Spritzgießprozesses 65

66 Plasmabehandlungen zur Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen Im Sonderforschungsbereich (SFB) Transregio 87 stehen Gepulste Hochleistungsplasmen zur Synthese nanostrukturierter Funktionsschichten im Fokus. Unter der Federführung von Prof. Dr.-Ing. Peter Awakowicz (Ruhr- Universität Bochum, RUB) sowie von Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin (RWTH Aachen) untersuchen Forscher der RWTH, der RUB sowie der Universität Paderborn gemeinsam grundlegende Fragestellungen bei der Entwicklung plasmagestützter Verfahren zur Herstellung funktionaler Schichten. Plasmaprozesse gewinnen im Bereich der Kunststoffverarbeitung zunehmend an Bedeutung. Anhand zweier Beispielanwendungen aus der Kunststoffverarbeitung, der Ausrüstung von Maschinenkomponenten mit antiadhäsiven und verschleißfesten Schichten sowie der Entwicklung von dehnfähigen Barriereschichten auf Thermoplasten, werden elementare Grundlagen zur Wechselwirkung zwischen Hochleistungsplasmen und technischen Oberflächen erarbeitet und zur diagnostikbasierten Prozesskontrolle genutzt. Das Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen (IKV) ist über zwei Teilprojekte in diesen SFB eingebunden. Abb. 3: Neu enwickelte CFK-Motorhaube CFK-Motorhaube in Integralbauweise Die Fertigung von Hochleistungsbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) ist bis heute mit hohen Kosten verbunden. Gründe hierfür sind vor allem die langen Taktzeiten sowie die schlechte Automatisierbarkeit der verfügbaren Fertigungsprozesse. Das IKV und das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) entwickeln zusammen mit Industriepartnern im Rahmen eines Hightech.NRW -Projekts eine CFK-Motorhaube in Integralbauweise auf Basis eines Ford Focus. Im Vergleich zur serientypischen Stahlmotorhaube konnte das Gewicht der CFK-Motorhaube um 60 % auf unter 5 kg reduziert werden (Abb. 3 und 4). Durch eine neue Fertigungstechnologie sowie Simulations- und Auslegungsmethoden soll dieses Leichtbaupotenzial für größere Stückzahlen ( Einheiten/Jahr) erschlossen werden. Nach der Ermittlung der mechanischen Kennwerte aus den vorher ausgewählten Materialien wurde die CFK-Motorhaube bezüglich Steifigkeits- und Crasheigenschaften am ika simulativ ausgelegt. Die Bestimmung der tatsächlichen Eigenschaften der Motorhaube erfolgte anhand von Steifigkeitsund Crashprüfungen. Um eine automatisierte Fertigung in unter 15 min zu realisieren, wird aktuell eine neuartige Spaltimprägnieranlage mit spezieller Werkzeugtechnik am IKV in Betrieb genommen, die bei gleichzeitiger Berücksichtigung der statischen und dynamischen Eigenschaften des Bauteils, auch die Anforderungen an eine Class-A-Bauteiloberflächenqualität bieten kann. Abb. 4: Motorhaube montiert und lackiert am Ford Focus 66

67 Ausgewählte Veröffentlichungen W. Michaeli, Ch. Hopmann, K. Bobzin, T. Arping, T. Baranowski, B. Heesel, G. Laschet, T.Schläfer, M. Oete: Development of an integrative simulation method to predict the microstructure influence on the mechanical behaviour of semi-crystalline thermoplastic parts. International Journal of Materials Research 1 (2012), S H. Bahre, K. Bahroun, H. Behm, S. Steves, P. Awakowicz, M. Böke, Ch. Hopmann, J. Winter: Surface pre-treatment for barrier coatings on polyethylene terephthalate, Journal of Physics D: Applied Physics 46, (2013) Drummer, D.; Ehrenstein, G. W.; Hopmann, Ch.; Vetter, K.; Meister, S.; Fischer, T.; Piotter, V.; Prokop, J.: Analysis and Comparative Assessment of Different Process Technologies for Manufacturing Polymer Micro-Elements. Journal of Materials Science and Engineering B 6 (2012) 2, S Puch, F.; Hopmann, Ch.; Michaeli, W.; Fragner, J.: Experimental investigation of the electrical conductivity and the mechanical properties of polyamide 6-carbon fibre-carbon nanotube-composites. Journal of Nanostructured Polymers and Nanocomposites 8 (2012) 4, S »» Hopmann, Ch..; Pöhler, M.: Resin Spray Prepregging Structural parts with non-foaming polyurethane matrix for serial production. Conference of the Society for the Advancement of Materials and Process Engineering, Baltimore, May , USA Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

68 Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Mikhail Itskov KM - Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik Kackertstraße Aachen Tel.: / Fax: / info@km.rwth-aachen.de 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. 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. Folgende Lehrveranstaltungen werden angeboten: Studienrichtungen Maschinenbau, Computational Engineering Science, Computer Aided Conception and Production in Mech. Eng. Schwerpunkte Kontinuumsmechanik, Tensorrechnung, Konstitutive Modellierung anisotroper Materialien, Mechanik biologischer Gewebe Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 7 wiss. Mitarbeiter/-innen, 3 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 7 stud. Mitarbeiter/-innen 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 Die Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich: Kontinuumsmechanik Tensorrechnung Materialtheorie Mechanik biologischer Gewebe Mechanik der Elastomere Untersuchung von Materialinstabilitäten Die Finanzierung der Forschungsprojekte erfolgt über öffentliche Mittel bzw. über industrielle Partner. Studien-, Diplom- und Doktorarbeiten werden aus den Bereichen der Struktur- und Kontinuumsmechanik, Biomechanik, Tensorrechnung und Finite Elemente Methode (Theorie und Anwendung) angeboten und betreut. 68

69 Ausgewählte laufende Projekte Konstitutive Modellierung des Mullins-Effekts und zyklische Spannungserweichung gefüllter Elastomere Unter großen Dehnungen zeichnet sich das Verhalten gefüllter Elastomere durch den starken Mullins-Effekt, induzierte Anisotropie und deutliche Restdehnung aus. In zyklischen Zugversuchen beobachtet man auch eine ausgeprägte Hysterese, die von der Dehnrate unabhängig ist. Die Vorhersage dieser unelastischen Eigenschaften in Elastomeren stellt eine wichtige Aufgabe sowohl technologischer als auch wissenschaftlicher Relevanz dar. In diesem Projekt wird ein mikromechanisches Modell entwickelt, welches die unelastischen Eigenschaften in gefüllten Elastomeren beschreibt. Hierzu wird das zuvor en-wickelte Konzept der Elstomernetzwerkzerlegung (Int. J. Solids Struct. 46, 2967 (2009) herangezogen und um ein zusätzliches Netzwerk (CP Network) erweitert. Das neue Netzwerk berücksichtigt die Schädigung der Fülleraggregate bei zyklischer Verformung. Diese Schädigung wird für die o.g. Hysterese und den daraus resultierenden Energieverlust verantwortlich gemacht. Die Genauigkeit des so aufgebauten Modells wird im Vergleich zu einer neuen Reihe experimenteller Daten überprüft. Ein einfacher Algorithmus zur schnelleren Berechnung von Abteilungen höherer Ordnung der Umkehrfunktion Das Forschungsprojekt befasst sich mit der Berechnung von Abteilungen höherer Ordnung der Umkehrfunktion. Es wird ein einfaches und schnelles rekursives Verfahren für die Differentiation der Umkehrfunktion vorgeschlagen und mit anderen aus der Literatur bekannten Methoden bezüglich Rechenzeit und Speichernutzung verglichen. Hierzu wird die Langevin-Funktion betrachtet, deren Inverse eine große Rolle in der Nicht-Gaußschen statistischen Theorie der Gummielastizität spielt. Abb. 2: Orientierung der Kollagenfasern (Langer-Linien) und ihre räumliche Verteilung Abb. 1: FE-Modell einer weiblichen Brust 69

70 Ein Netzwerk-Evolutions-Modell der anisotropen Spannungserweichung in gefüllten Elastomeren Parameteridentifikation und Finite-Elemente-Implementierung Das Netzwerk-Evolutions-Modell, das in den letzten Jahren (Int. J. Solids Struct. 46, 2967 (2009)) am Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik entwickelt wurde, gewährt neue Einblicke in den Schädigungsmechanismus der gefüllten Elastomere. In diesem Folgeprojekt wird dieses Modell in Finite-Elemente-Programme implementiert. Hierzu wird die freie Energiefunktion des Elastomers in Abhängigkeit der in dem Modell vorhandenen internen Variablen formuliert. Zusätzlich wird die thermodynamische Konsistenz des Netzwerk-Evolutions-Modells analytisch überprüft. Im Anschluss wird die Vorhersagekraft des Modells in mehreren Versuchen geprüft. Unter anderem wurden hierzu die Ergebnisse einer Grauwertanalyse der Oberflächenverschiebungen herangezogen. Schlussendlich wird der Einfluss der Füllstoffkonzentration auf die Materialparameter untersucht. Numerische Simulation der Hauptrichtungen der Anisotropie in weichen biologischen Geweben, insbesondere in der Haut Die Orientierung der Kollagenfasern und ihre räumliche Verteilung geben die makroskopischen mechanischen Eigenschaften des Weichgewebes vor und insbesondere ihre Richtungsabhängigkeit (Anisotropie). In diesem Forschungsprojekt behandeln wir zwei verschiedene Verfahren zur automatischen Generierung dieser Richtungen für ein 3D Finite-Elemente-Modell: A) Das erste Verfahren beruht auf einer Analogie mit einem Wärmeleitungsproblem. Dementsprechend wird ein Wärmestrom unter bestimmten Temperaturrandbedingungen erzeugt und mittels des FE-Modells berechnet. Dieser Wärmestrom wird anschließend für die Definition der anisotropen Richtungen verwendet. Das numerische Ergebnis zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Daten der Langer-Linien in der menschlichen Haut. B) In dem zweiten Verfahren wird das Faser-Vektorfeld mit Hilfe vordefinierter Faserrich-tungsskizzen und der Laplace-Glättungsmethode berechnet. Beide Methoden können verwendet werden, um die Anisotropie-Richtungen auch innerhalb mehrlagiger Gewebe wie Arterie zu modellieren. Abb. 3: Konzept der Elstomernetzwerkzerlegung und Erweiterung um ein zusätzliches Netzwerk (CP Network) Abb. 4: Praktische FE-Anwedung des Netzwerk-Evolutions-Modells an Elastomer Drehfedern 70

71 Ausgewählte Veröffentlichungen Dargazany, R., Itskov, M.: Yield behavior of colloidal aggregates due to combined tensile-bending loads APS Journals Physics. Rev. E,Volume 85, Issue 5, DOI: /PhysRevE Itskov, M., Dargazany, R., Hörnes, K.: Taylor expansion of the inverse function with application to the Langevin function. Mathematics and Mechanics of Solids, Volume 17 Issue 7, , 2012, DOI: / Dargazany, R., Vu, N. K., Navrath; U., and Itskov, M.: Network evolution model of anisotropic stress softening in filled rubberlike materials: Parameter identification and finite element implementation. Journal of Mechanics of Materials and Structures, Volume 7 Issue 8-9, , 2012, DOI: /jomms Schmidt, H., Pauli, L., Paulus, A., Kuhl, E., Itskov, M.: Consistent formulation of the growth process at the kinematic and constitutive level for soft tissues composed of multiple constituents. Computer Methods in Biomechanic and Biomedical Engineering, Volume 15, Issue 5, , DOI: / Itskov, M.: Tensor Algebra and Tensor Analysis for Engineers with Applications to Continuum Mechanics Series: Mathematical Engineering, 3rd. Edition,Textbook, Springer, Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

72 Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs IME - Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung Schinkelstraße Aachen Tel.: / Fax: / jacobs@ime.rwth-aachen.de Dynamisches u. energetisches Verhalten von Antriebssträngen Fahrdynamik u. Nutzungsdauer von Antriebssträngen mobiler Arbeitsmaschinen Erprobung originalgroßer Antriebstränge u. Validierung von Berechnungsverfahren in den Bereichen Off-Highway, Windenergieanlagen (WEA) und Antiebstechnik Simulation des dynamischen Systemverhaltens von WEA Verschleiß und Ermüdung von Maschinenelementen Maschinenakustik Nicht schaltbare Kupplungen und Ermüdung von Elastomeren Schmierstoffverhalten im tribologischem System Oberflächenuntersuchung und bewertung Zustandsüberwachung tribologischer Systeme Gleitlagersimulation und -erprobung Studienrichtungen Maschinenbau Schwerpunkte Tribologie, Antriebstechnik, Off-Highway, Windenergie Personal 1 Professor, 3 Obering./-innen, 46 wiss. Mitarbeiter/-innen, 25 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 95 stud. Mitarbeiter/-innen 72

73 Ausgewählte laufende Projekte Grüner Radlader Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung und Erprobung neuer Antriebs- und Steuerungstechnologien für mobile Arbeitsmaschinen zur Steigerung der Energieeffizienz. Vorzugslösungen für die Funktionsbereiche Arbeitshydraulik, Fahrantrieb, Hybridmodul und Dieselmotor werden zu einem Antriebssystem mit übergeordneter Maschinensteuerung zusammengeführt und in einen Radlader mit 200 kw Antriebsleistung integriert. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Analyse der Wechselwirkungen der Subsysteme und deren gezielter Beeinflussung zur Steigerung der Energieeffizienz. Das Projekt wird gemeinsam mit Hochschul- und Industriepartnern durchgeführt und ist Teil des vom BMBF geförderten Verbundforschungsvorhabens TEAM, an dem sich insgesamt 24 Partner aus Industrie und Forschung beteiligen. Das IME befasst sich mit der Modellbildung und Erprobung des Fahrantriebs. Dessen Wirkungsgradverhalten sowie das Rekuperationspotential von kinetischer Energie werden analysiert. Zur Steigerung der Effizienz im Fahrbetrieb wird simulativ ein Leistungsmanagement zum optimierten Zusammenspiel von Dieselmotor, Leistungsverzweigungsgetriebe und Hybridmodul erarbeitet. Parallel zu den simulativen Arbeiten wird derzeit der 1 MW-Verspannungsprüfstand des Institutes für Versuche mit dem Antriebsstrang in aufgelöster Bauweise genutzt. Eine Modellvalidierung wird durchgeführt und das Leistungsmanagement mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe und dem Hybridmodul auf dem Prüfstand erprobt. Kennwertbestimmung an elastischen Kupplungen: Hochelastische Kupplungen werden in vielen Anwendungsbereichen wie Baumaschinen oder Schienenfahrzeugen eingesetzt, um über Parameterveränderungen das Drehschwingverhalten gezielt zu beeinflussen. Die mechanischen Eigenschaften von Elastomerkupplungen sind in großem Maße von Parametern wie Temperatur oder Belastungsfrequenz abhängig. Die üblichen Herstellerangaben gelten bislang nur bei Belastungen unter Nenndrehmoment sowie Belastungsfrequenzen von 10 Hz. In vielen Feldanwendungen werden diese Geltungsgrenzen aber überschritten. Ziel des Vorhabens ist es, durch neu definierte Kennwerte das Kupplungsverhalten für hochdynamische Laständerungen umfassender zu beschreiben. Dabei sollen transiente und harmonische Belastung betrachtet werden. Basis der Arbeiten sind Versuche an marktüblichen Kupplungen auf servohydraulischen Drehzylindern. Zusätzlich werden Probekörper untersucht. Im Fokus steht dabei die Analyse und die Beschreibung des Zeitverhaltens der relevanten Kupplungseigenschaften. Vorversuche haben gezeigt, dass das Zeitverhalten der Kupplungen bei hochdynamischen Anregungen sowohl durch das Werkstoffverhalten der Elastomere wie auch durch Masseneinflüsse bestimmt wird. Prüfstand zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens hochelastischer Kupplungen Systemoptimierung Grüner Radlader, H. Jähne, Verbundforschungsprojekt TEAM Entwicklung von Technologien für energiesparende Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen, bauma Forum

74 Verbesserung des Betriebsverhaltens von On-Shore Windenergieanlagen (WEA) mit Hilfe eines neuartigen Systemprüfstandes In der ersten Phase des Projektes stehen die Entwicklung und der Aufbau eines Demonstrator Systemprüfstandes für WEA in realer Baugröße im Fokus. Der neuartige Ansatz zur Untersuchung der WEA als Gesamtsystem ergibt sich aus der interdisziplinären Betrachtung des Antriebsstranges einer WEA bestehend aus mechanischem Antriebsstrang, Generator mit Umrichter, Gondelrahmen sowie Leistungsregelung und Anlagensteuerung unter reproduzierbaren und flexibel einstellbaren Windlasten an der Rotornabe und Netzlasten am Generator. Systemprüfstand für Windenergieanlagen Einfluss von Einlaufprozessen und Regenerationsphasen auf den Verschleiß von Wälzlagern Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Einlaufprozedur zur Reduktion von Verschleiß im Wälzlager und somit zur Verlängerung der Lebensdauer. Während der Einlaufphase soll eine vor Verschleiß schützende Triboschicht aufgebaut werden, die den Verschleißschutz in den nachfolgenden Betriebsphasen gewährleistet. Die Versuche werden mit ZDDP-additivierten Schmierstoffen, welche in der Praxis häufig zum Einsatz kommen, im Wälzlagerschmierstoff-Prüfgerät FE8 durchgeführt. Ohne Einlauf zeigen die untersuchten Schmierstoffe im FE8 Versuch einen schlechten Verschleißschutz. Durch Vorschalten einer geeigneten Einlaufprozedur konnte erreicht werden, dass dieser signifikant gesteigert bzw. der Verschleiß komplett unterbunden wurde. Im weiteren Verlauf des Vorhabens werden die Triboschutzschichten hinsichtlich ihrer chemischen, physikalischen und strukturellen Eigenschaften charakterisiert. Dies soll zu einem besseren Verständnis der Wirkmechanismen des Schutzschichtaufbaus beitragen. Optische u. mikroanalytische Bewertung des Verschleißschutzes im Wälzlager Eine WEA mit aufgelöstem Triebstrangkonzept wurde als Hardware in the Loop (HIL) Komponente im Systemprüfstand aufgebaut und mit der herstellereigenen, nicht modifizierten Betriebsstrategie in allen Betriebspunkten betrieben und vermessen. Unter Aufprägung von mechanischen Lasten in fünf Freiheitsgraden und realitätsnahen Netzlasten wurde es erstmals möglich, die dynamisch wirkenden Lasten im Antriebsstrang von WEA systematisch zu analysieren. Die gewonnenen Erkenntnisse können zur Verbesserung der Verfügbarkeit der Gesamtanlage verwendet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse in Bezug auf die Einbindung einer WEA in eine Systemprüfstand, der Echtzeit-Berechnung der Windlasten im HIL- Betrieb und der erforderlichen Dynamik der servo-hydraulischen Belastung sowie der Leistungselektronik fließen in die Projektierung und den Bau eines Systemprüfstandes mit einer Leistung von 4 MW ein. 74

75 Ausgewählte Veröffentlichungen Neubert, Sebastian; Porta, Artur; Hentschke, Christoph; Jacobs, Georg: Mixed friction model for rough contacts at high contact pressure In: 39th Leeds-Lyon Symposium on Tribology : Great Challenges in Tribology ; Tuesday 4th-Friday 7th September 2012, Leeds Trinity University College, Leeds, University of Leeds. - Leeds: University of Leeds, 2012, S./Art.: InProceedings [hsb ] Schelenz Ralf, Bosse Dennis, Radner Dominik, Georg Jacobs; Demands on dynamics of load application systems for full scale ground testing of 1 MW wind turbines; Deutsche Windenergiekonferenz (DEWEK); 7th to 8th November 2012; Bremen; Session No. 2: Testing; 7th November Schelenz Ralf, Bosse Dennis, Radner Dominik, Georg Jacobs; F&E-Werkzeuge für WEA-Antriebsstränge; Topic session No ; Technische Innovationen aus NRW für die Windindustrie; Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk NRW, Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz NRW; WindEnergy in Husum September 2012 Jacobs Georg, Ramm Marco, Straßburger Felix; Systemische Umbrüche in der Antriebstechnik - Konzepte im Vergleich; Getriebe in mobilen Arbeitsmaschinen, Session: Quo Vadis Elekrtifizierung von Antrieben; ; 2. Internationale VDI-Fachkonferenz, Juni 2012, Friedrichshafen Berroth Joerg, Schelenz Ralf ; Advanced Modeling of Wind Turbine Drive Trains Including Aeroelastics - With Regard to the Coupled Dynamics of Tower and Drive Train; Session: Advanced design and technology of hybrid towers; ; 1st International Conference Advances in Wind Turbine Towers ; Bremen Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

76 Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Jeschke IST - Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen Templergraben Aachen Tel.: / Fax: / office@ist.rwth-aachen.de 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. Die nachstehende Auswahl von Forschungsschwerpunkten beschreibt das weite Aufgabenfeld der Forschungstätigkeit, angefangen von der Grundlagenforschung bis hin zu speziellen Anwendungen und Auswirkungen von Energieumwandlungsmaschinen: Entwicklung und Anwendung von numerischen Methoden zur Stömungssimulation Transitions- und Turbulenzmodellierung für Strömungen in Turbomachinen Experimentelle Untersuchungen von Strömungsphänomenen in Verdichtern und Turbinen Studienrichtungen Luft-und Raumfahrttechnik, Energietechnik Schwerpunkte Experimentelle und numerische Strömungsuntersuchungen, Systemanalyse von Turbomaschinen, Entwicklung von Strömungsmesstechnik Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 42 wiss. Mitarbeiter/-innen, 27 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 46 stud. Mitarbeiter/-innen 76

77 Ausgewählte laufende Projekte Low Emission Gas Turbine Technology for Hydrogen-rich Syngas (H2-IGCC) 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 zeigt die entsprechenden Machzahlverläufe in den vier Turbinenstufen als Meridiónal- und als Radialschnitt. Mit Hilfe von Parameterstudien werden Geometriemodifikationen an den Beschaufelungen der einzelnen Turbinenstufen erarbeitet, die einen sicheren und effizienten Betrieb mit Synthesegas ermöglichen. Dieser Auslegungs- bzw. Optimierungsprozess für die Expanderaerodynamik wird iterativ mit der Betrachtung der Schaufelkühlung (Cenaero) durchgeführt. Webseite: H2-IGCC Meridionalschnitt H2-IGCC Mittelschnitt 77

78 3D Turbinengestaltung Sekundärströmungen, d.h. jene Strömungsphänomene, die eine unerwünschte Änderung der Aerodynamik verursachen, generieren signifikante Entropieproduktion und damit eine erhebliche Wirkungsgradminderung in Turbinen. Durch geeignete Gestaltungsmaßnahmen können diese Sekundärströmungsverluste signifikant reduziert werden. Das Ziel des Vorhabens liegt in der Bereitstellung eines Know-Hows, auf dessen Grundlage eine Erhöhung des Wirkungsgrades von Turbinen durch Kombination von nichtrotationssymmetrischen Seitenwandkonturen und dreidimensional gestalteten Beschaufelungen ermöglicht wird. Als Grundlage der Untersuchungen dient dabei 1,5-stufige, subsonische Kaltluftturbine des IST. Zur Auslegung der optimierten 3D-Gestaltungen der Beschaufelung dient ein automatisiertes Optimierungsverfahren, welches am IST aufgebaut wurde. Durch Kombination verschiedener Gestaltungsansätze wie rotationsasymmetrischer Seitenwandkonturierungen, bow, lokalem restaggering, und lokalen Keilwinkelvariationen können die komplexesten 3D-Gestaltungen ausgelegt und untersucht werden. Auf Grundlage der optimierten Gestaltungen werden die physikalischen Effekte, welche zur Verlustreduktion geführt haben, analysiert und unter zusätzlichem Einsatz statistischer Methoden den Gestaltungsvariationen zugeordnet. Um die vorhergesagten Effekte der 3D-Gestaltung nachweisen zu können, werden experimentelle Untersuchungen am Kaltluftturbinenprüfstand durchgeführt. Robustheit von 3D Schaufelkanalgestaltungen Im Rahmen dieses AG TURBO Forschungsprojekts erforscht das Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen in Zusammenarbeit mit der MTU Aero Engines aus München die Sensitivität eines 3D-gestalteten Schaufelkanals gegenüber aerodynamischen und fertigungstechnischen Abweichungen vom Auslegungsideal. Übergeordnetes Ziel dieses Vorhabens ist eine Verbesserung des Wirkungsgrades durch 3D-Designs unter realitätsnahen Bedingungen sowie der Einsatz unter variablen Anforderungen im Betrieb. Der Fokus der numerischen und experimentellen Sensitivitätsstudie liegt hierbei auf der Erforschung des Einflusses von verschiedenen Zuströmturbulenzen, Plattformstufen und einem variablen Axialabstand zwischen den Schaufelreihen. Neben einem stark vertieften Verständnis der physikalischen Zusammenhänge können wichtige Erkenntnisse zu den Abhängigkeiten von optimierten Schaufeln und Seitenwänden gegenüber den beschriebenen Störfaktoren gesammelt werden. Für die numerischen Vorstudien und anschließenden Nachrechnungen wird der Strömungslöser TRACE des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) genutzt. Die Voruntersuchungen dienen der Identifizierung der Effekte von aerodynamischen und fertigungstechnischen Abweichungen, um schließlich gezielt Messtechnik einzusetzen und in der Turbine zu platzieren. Die Messungen beinhalten stationäre und zeitaufgelöste Schaufeldruckverteilungen von Stator und Rotor und den Seitenwänden (stationär). Diese dienen als detaillierte Referenzwerte für die Rechnung. Infolge vorangehender Projekte verfügt der Kaltluftturbinenprüftstand über eine umfangreiche Instrumentierung. 78

79 Ausgewählte Veröffentlichungen P. Waniczek, H. Schoenenborn, P. Jeschke: Experimental and analytical surge cycle analysis of a high pressure aero engine compressor In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2012 : June 11-15, 2012, Copenhagen, Denmark, GT H. T. Hönen, R. Kunte, P. Waniczek, P. Jeschke: Measurement failures and correction methods for pneumatic multi-hole probes In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2012 : June 11-15, 2012, Copenhagen, Denmark, GT J. Hartmann, K. Winter, P. Jeschke: Aerodynamic influence of streamwise surface corrugation on axial compressor blades In: Proceedings of Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF 12): September 4-7, 2012, Budapest, Hungary B. Wilkosz, P. Schwarz, N. Chen, P. Jeschke, C. Smythe: Numerical Investigation of the steady separation inducing mechanisms in a passage diffuser with application of two-equation turbulence models In: Proceedings of Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF 12): September 4-7, 2012, Budapest, Hungary S. Behre, M. Restemeier, P. Jeschke, Y. Guendogdu, K. Engel: Time-resolved numerical investigation of the effects of blade-row spacing on the turbine efficiency In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2012 : June 11-15, 2012, Copenhagen, Denmark, GT Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

80 Lehrstuhl Informationsmanagement im Maschinenbau Zentrum für Lern- und Wissensmanagement Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke IMA/ZLW - Lehrstuhl Informationsmanagement im Maschinenbau & Zentrum für Lern- und Wissensmanagement Dennewartstr Aachen Tel.: / Fax: / jeschke.office@ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de Studienrichtungen Maschinenbau allgemein (Grundstudium) Schwerpunkte Entwicklung und Einsatz von IT-Systemen im Maschinenbau, insbesondere in Produktion, Verkehr und Logistik, ehealth, autonome Systeme, kooperative Robotik, verteilte Intelligenz, CPS/Internet of Things, Cloud Computing, Data Mining Personal 4 Professoren, 10 Obering./-innen, 40 wiss. Mitarbeiter/-innen, 16 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 129 stud. Mitarbeiter/-innen Die Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls Informationsmanagement im Maschinenbau IMA liegen im Einsatz von Methoden der Informatik in allen Anwendungsbereichen des Maschinenbaus, speziell in Produktionstechnologie, Verkehr, Logistik und E-Health. Methoden zur Daten- und Informationsintegration für die Kontrolle und Überwachung von Produktionssystemen werden entwickelt. Methoden der künstlichen Intelligenz werden erweitert, um eine kognitive Kontrolle und Selbstoptimierung für roboterbasierte Montagesysteme zu realisieren. Statische und dynamische Fahrsimulatoren, Industrieroboter (ABB, Motoman) und mobile Roboter (Robotino, NAO) erlauben eine experimentelle Auswertung der entwickelten Lösungen. Eine zentrale Rolle spielen hoch-verteilte intelligente Systeme, ihre Modellierung und Realisierung. Das Zentrum für Lern- und Wissensmanagement ZLW ist eine zentrale wissenschaftliche Einrichtung der RWTH Aachen University. Das ZLW erforscht, entwickelt und implementiert zukunftsweisende Konzepte und Lösungen für Innovations-, Organisationsentwicklungs-, Lern- und Wissensprozesse in Wissenschaft, Wirtschaft und Politik. Der Fokus liegt auf der systemorientierten Betrachtung von Personal-, Organisations- und Technikentwicklung. In den vier Bereichen - Karriereforschung, Knowledge Engineering, Didaktik in den MINT-Wissenschaften und Innovations- und Zukunftsforschung - werden Forschungs-, Lehr- und Dienstleistungsprojekte von interdisziplinären Forscherteams durchgeführt. Neue Lehr- und Lernformen mit und in virtuellen/augmented Realitäten werden im 3D-Virtual Theatre eingesetzt und weiter entwickelt. Zum Institutsverbund aus IMA und ZLW gehört das Institut für Unternehmenskybernetik e.v. IfU, An-Institut der RWTH. Das Institutscluster betreibt das Schülerlabor RoboScope, das DLR_School_Lab RWTH Aachen, das Labor Cognitive Car mit einem LKW-Fahrsimulator, ein 3D-Virtual Theatre und den zentralen Fakultätsrechnerpool ZuseLab mit über 300 Arbeitsplätzen. 80

81 Ausgewählte laufende Projekte Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer DasTeilprojekt B.1 Virtual Production Intelligence adressiert die Entwicklung einer integrativen Plattform zur Modellierung komplexer, vernetzter Produktionsprozesse. Durch die Erzeugung und explorativen Analyse realer und virtueller Daten lassen sich die Prozesse der Modellbildung so eng miteinander verknüpfen, dass das Auffinden neuartiger Wirkbeziehungen möglich wird. Wirkbeziehungen geben einen quantitativen Zusammenhang zwischen den Maßzahlen für Kriterien und Parameter eines realen (Designraum) und eines virtuellen (Gestaltungsraum) Produktionsprozesses an. Im Rahmen des Teilprojekts D.3 Cognitive-enhanced, self-optimising Assembly Systems beschäftigt sich das IMA mit der Entwicklung und Integration intelligenter Steuerungen in produktionstechnischen Systemen. Dabei werden Erkenntnisse aus den Bereichen Künstliche Intelligenz, Wissensbasierte Systeme und Kognitionsforschung integriert. Die erweiterten Systeme verfügen über verbesserte Fähigkeiten im Umgang mit komplexen oder unvollständigen Aufgabenbeschreibungen und verhalten sich in unbekannten Situationen robuster. Metaprojekt DemoScreen Kommunikation, Kooperation und Innovationsfähigkeit im demografischen Wandel Die 27 transdisziplinären Projekte des BMBF Förderschwerpunkts Innovationsfähigkeit im demografischen Wandel untersuchen, wie der demografische Wandel dazu beitragen kann, die Innovationsfähigkeit durch Konzepte der Unternehmens-, Personal- und Arbeitsorganisation nachhaltig zu steigern. Das Metaprojekt DemoScreen erarbeitet für den gesamten Förderschwerpunkt grundlegende Erkentnnisse zur Kommunikations,- Kooperations- und Transfergestaltung. Ziel von DemoScreen ist es, die physische und virtuelle Vernetzung der Förderschwerpunktakteure, die Nutzung von Synergien zwischen den Projekten sowie die Analyse, Bündelung und den Transfer der Forschungs- und Projektergebnisse in Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft zu unterstützen. Forschungsschwerpunkt ist ein prozessbegleitendes Screening der Förderaktivitäten, um die Kommunikation und Kooperation im Förderschwerpunkt zu erfassen, Optimierungsmöglichkeiten bereits während der Projektlaufzeit zu identifizieren und deren Übertragung auf andere Forschungsprogramme zu diskutieren. DemoScreen Die Cross Sectional Processes (CSP) unterstützen die interdisziplinären Kooperationsprozesse im Exzellenzcluster. Interdisziplinäre Forschungscluster nehmen im Diskurs des Managements komplexer interorganisationaler Kooperationen eine Sonderrolle ein: Neben der organisationalen Akkulturation wird eine Integration und Kombination heterogener wissenschaftlicher Methoden, Paradigmen während des Kooperationsprozesses erwartet. Das Team der CSP hat auf Basis ihrer Forschungsergebnisse für die zweite Förderphase ein interdisziplinäres Forschungsteam (ZLW, HCIC, IEHK, IPT) aufgestellt, das sich den Herausforderungen in vier Forschnungs- und Handlunsfeldern stellt. Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer 81

82 CloudLogistic Intelligentes, dezentrales Logistikmanagement für kleine und mittelständische Speditionen zur Disposition von Teilfrachten Im Rahmen des Projekts CloudLogistic, gefördert durch das Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk des Landes Nordrhein-Westfalen und die Europäische Union, werden innovative Logistikkonzepte und Geschäftsmodelle für Frachtenkooperationen im Bereich von Lkw-Teilladungen entwickelt. Ziel des Projekts ist die Ausgestaltung einer neuartigen Frachtenkooperation zur Steigerung der Effizienz von Teilladungstransporten und zur Stärkung der Konkurrenzfähigkeit kleiner und mittlerer Speditionen des Straßengüterverkehrs. Zur Spezifikation der Anforderungen an eine solche Frachtenkooperation wurden umfassende Anforderungsworkshops im Großraum Stuttgart und im Großraum Köln als Grundlage durchgeführt. Die darauf aufbauende, parallele Entwicklung des Geschäftsmodells und der IT-gestützten Kooperationsplattform werden im Anschluss durch einen Feldversuch in Form eines Planspiels validiert. Cloud Logistic DLR_School_Lab RWTH Aachen Raus aus der Schule, rein ins Labor unter diesem Motto lädt das IMA der RWTH Aachen zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Schülerinnen und Schüler der Mittel- und Oberstufe in das DLR_School_Lab RWTH Aachen ein. Im DLR_School_Lab RWTH Aachen kommen die vielfältigen Themen des DLR als einer der größten Forschungseinrichtungen Deutschlands und der RWTH Aachen als moderner technischer Hochschule zusammen. Die Mitmach-Experimente behandeln Fragen aus Luft- und Raumfahrt, Energie- und Verkehrsforschung mit Schwerpunkt auf der Robotik und Künstlicher Intelligenz. Die Schülerinnen und Schüler tauchen im DLR_School_Lab RWTH Aachen in diese spannende Welt modernster Technik ein und setzen sich neben den vielfältigen und abwechslungsreichen Experimenten unter anderem mit folgenden Fragestellungen auseinander: Was ist Künstliche Intelligenz und wie kommt sie in Maschinen? Wie können Roboter lernen und braucht das Bewusstsein einen Körper? Den Menschen zum Vorbild wollen wir, dass Roboter menschlich sind? Was ist der Stand der Forschung in der Robotik heute? DLR_School_Lab 82

83 Ausgewählte Veröffentlichungen R. Reinhard, C. Büscher, T. Meisen, D. Schilberg, and S. Jeschke: Virtual Production Intelligence A Contribution to the Digital Factory, in Intelligent Robotics and Applications: Proceedings of the 5th International Conference, ICIRA 2012, Montreal, Canada, 3-5 October 2012, 2012, Lecture Notes in Computer Science, vol. 7506, pp S. Jeschke, I. Isenhardt, F. Hees, K. Henning: Eds., Automation, Communication and Cybernetics in Science and Engineering 2011/2012. Springer, 2012 S. Jeschke, F. Hees, A. Richert, and S. Trantow: Eds., Prethinking Work - Insights on the Future of Work/ Arbeit im Wandel: Trends und Herausforderungen der modernen Arbeitswelt, vol. 7/8. LIT Verlag, 2012 C. Jooß, R. Vossen, I. Leisten, A. Richert, and S. Jeschke: Knowledge Engineering in Interdisciplinary Research Clusters, in Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, 10 to 13 December, Hong Kong, C. Tummel, C. Franzen, P. Friedrichsmeier, N. Voßen, P. Wolters, E. Hauck, and S. Jeschke: CloudLogistic - Line-Based Optimization for the Disposition of LTL Shipments, in Proceedings of papers of the 17th International Symposium on Logistics (ISL 2012), CapeTown, South Africa, 8-11 July 2012, 2012, pp Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

84 Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Produktionsmanagement Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker WZL - Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Produktionsmanagement Steinbachstr Aachen Tel.: / Fax: / a.kampker@wzl.rwth-aachen.de Studienrichtungen Produktionstechnik Schwerpunkte Fabrikplanung, Montageorganisation, Elektromobilproduktion Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 21 wiss. Mitarbeiter/-innen, 5 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 57 stud. Mitarbeiter/-innen Der Lehrstuhl für Produktionsmanagement fokussiert sich auf die Erforschung der Umsetzung einer nachhaltigen Produktionsstrategie und der Gestaltung einer effizienten Wertschöpfungsstruktur, basierend auf seinen Erfahrungen aus Forschungs- und Beratungsprojekten in der Industrie. Der Lehrstuhl teilt sich in insgesamt vier Gruppen auf. Die Gruppe Montageplanung erforscht die Gestaltung und Steuerung von Montagesystemen sowie die Entwicklung von Materialbereitstellungs- und Ladungsträgerkonzepten zur Versorgung der Montage. Im Mittelpunkt stehen insbesondere die Auslegung und Optimierung von Taktmontagesystemen inklusive der dazugehörigen Unterstützungsprozesse. Das übergeordnete Ziel bildet dabei stets die Reduzierung von Durchlaufzeiten und Beständen sowie die Erhöhung der Liefertermintreue. Die Gruppe Werksstrukturplanung beschäftigt sich mit der Auslegung und Gestaltung von Strukturen und Prozessen in der Produktion von Unternehmen. Dies umfasst u. a. digitale Fabrikneu- und umplanungen sowie Werksstrukturplanungen. Zur Unterstützung der Planung werden Tools der Fabrikplanung, wie bspw. der Fabrikplanungstisch und das eigens entwickelte Fabrikplanungspowerpoint-Addin, eingesetzt. Die Gruppe Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung sowie die Gruppe Anlaufmanagement beschäftigen sich mit der Produktion von Komponenten für Fahrzeuge mit elektrischen Antrieben. Der Schwerpunkt besteht in der Ermittlung der Anforderungen an eine Elektromobilproduktion sowie die Produktionsplanung, insbesondere vor dem Hinblick wettbewerbsfähiger Kosten im Vergleich zur Automobilmassenproduktion mit konventionellen Antrieben. Forschungsthemen sind die Batterieproduktion, die integrierte Produkt- und Prozessplanung sowie die Analyse von Kosten und die Entwicklung von Produktionsnetzwerken. 84

85 Ausgewählte laufende Projekte Quasi.BAT Qualitätssicherung in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien für Elektromobilitätsanwendungen Das Forschungsprojektes Quasi.BAT (IGF-Nr. 2 LN) leistet einen nachhaltigen Beitrag zur Qualitätssicherung in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien. Ziel ist die Identifikation und Analyse der qualitätskritischen Produktionsschritte in der Batterieproduktion. Dabei steht die Analyse der Wirkbeziehungen zwischen Kundenanforderungen, Qualitätsmerkmalen und Produkt- sowie Prozesskenngrößen der Batterie im Mittelpunkt. Durch eine kontinuierliche Bestimmung der Batteriequalität schon im Produktionsprozess können sowohl die durch Qualitätsmängel bedingten Mehrkosten in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien gesenkt als auch wertvolle Ressourcen eingespart werden. Für die Etablierung des ganzheitlichen Prozessmonitorings wurden die Wirkzusammenhänge der Prozesskette identifiziert, welche die Zusammenhänge von den leistungsbestimmenden Qualitätsmerkmalen der Batterie bis hin zu den Prozesskenngrößen beschreiben. Darauf aufbauend wurde die Relevanz der Kenngrößen für die Qualität des Endprodukts bewertet, um sicherzustellen, dass das angestrebte Prozessmonitoringkonzept ressourceneffizient die relevanten Kenngrößen einbezieht. Dadurch kann eine reine End-of-Line-Prüfung, wie sie im Moment vorherrscht, sinnvoll ergänzt werden. Im Verlauf des Projektes wurde erfolgreich ermittelt, wie und wo die qualitätsrelevanten Merkmale der Batterie im Produktionsprozess beeinflusst werden und wie die entsprechenden Prozesskenngrößen im Produktionsprozess überwacht werden können. Für die Erfassung und Überwachung der einzelnen Kenngrößen wurden messtechnische Verfahren analysiert und Integrationskonzepte erarbeitet. Die generelle Machbarkeit des Einsetzens messtechnischer Verfahren für die Etablierung fertigungsnaher Regelkreise, wie z.b. Röntgenstrahlung, Ultraschall und Kameratechnik, wurde untersucht. Mit den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses werden für die zu betrachtenden Produktionsschritte abschließend geeignete Prüfmechanismen konzipiert, mit denen fortlaufend qualitätsrelevante Prozessparameter überwacht werden können. Forschungslabor Anlauffabrik Das Konzept der Anlauffabrik ist ein mächtiges Werkzeug zur Entwicklung industrialisierungsfähiger Fahrzeuge und Fahrzeugkomponenten sowie zur Validierung der Produktionsprozesse. Hierbei handelt es sich um eine kleine Fabrik, in der die Serienproduktion von Fahrzeugen und Fahrzeugkomponenten getestet und ausgearbeitet werden kann. Solche Infrastrukturen stehen heute ausschließlich großen Automobilherstellern (OEM) zur Verfügung. Das Ziel des vorliegenden Projekts besteht im Aufbau eigenständiger Module einer Anlauffabrik, mit denen die Entwicklung und Erprobung einer wirtschaftlichen Produktion, Montage sowie Funktions- und Sicherheitsprüfung von Elektrofahrzeugen und deren Komponenten an der RWTH Aachen durchgeführt werden soll. Die Anlauffabrik wird durch weitere Module aus einem vom Land Nordrhein-Westfalen geförderten Projekt ergänzt und ist anderen Forschungsgruppen und Unternehmen der Automobilzulieferindustrie zugänglich. Sie ermöglicht ihnen eine unabhängige und vorwettbewerbliche Forschung an neuen Produktionstechnologien. 85

86 Ausgewählte Veröffentlichungen Kampker, A.; Franzkoch, B; Nowacki, C.: Networked product and production development for lithium-ion batteries, in: Enabling Manufacturing Competitiveness and Economic Sustainability - Proceedings of the 4th International Conference on Changeable, Agile, Reconfigurable and Virtual production (CARV2011), Montreal, Canada, 2-5 October 2011, Hrsg.: ElMaraghy, H., Springer, Berlin, 2012, ISBN , S Kampker, A.; Deutskens, C; Nee, C.; Wowreczko, D.: Herausforderungen und Lösungsansätze für die Fertigung von Elektromotoren in Fahrzeugantriebsträngen. Neue Reserven in der Produktion, in: Industrieanzeiger 134 (2012), 20, ISSN , S: Kampker, A.; Meckelnborg, A.; Burggräf, P.; Welter, T.: Integrative Factory Design by Efficient Interaction Models, in: POMS 23rd Annual Conference - Proceedings of the 23rd Annual Conference of the Production and Operations Management Society Socially Responsible Operations, Chicago, Illinois, U.S.A.. April 20 to April 23, 2012, Hrsg: Schoenherr, T., Michigan State University East Landing, MI, 2012, ISBN: , S »» Kampker, A.; Schuh, G.; Burggräf, P.; Nowacki, C.; Swist, M.: Cost innovations by integrative product and production development, in: CIRP Annals - Manufacturing Technology 61 (2012), 1, ISSN , S 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, October Hrsg.: ElMaraghy, H., Springer Verlag Berlin, London 2012, ISBN , S

87 Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Forschungsschwerpunkte Grundlagen der Zerspanung Modellierung und Bewertung von Zerspanprozessen Schleiftechnik Umformtechnik Technologieplanung Produkt- und Prozessüberwachung Abtragende Fertigungsverfahren Getriebetechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke WZL - Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Steinbachstr Aachen Tel.: / Fax: / info@wzl.rwth-aachen.de Studienrichtungen Fertigungstechnik Schwerpunkte Zerspantechnik, Schleiftechnik. Umformtechnik, Überwachen und Abtragen, Getriebetechnik Personal 1 Professor, 4 Obering./-innen, 52 wiss. Mitarbeiter/-innen, 24 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 96 stud. Mitarbeiter/-innen 87

88 Ausgewählte laufende Projekte Wirtschaftlichkeit von Multitechnologieplattformen Die historische Entwicklung der Produktion wird begleitet durch die kontinuierliche Suche nach effizienteren Produktionssystemen. Eine Änderung der Randbedingungen beispielsweise durch eine größere Varietät im Produktspektrum stellt herkömmliche Produktionsmittel in Frage und ermöglicht die Bereitschaft, innovative Konzepte in der Produktion umzusetzen. Gegenwärtig werden produzierende Unternehmen durch turbulente Märkte, sinkende Losgrößen und komplexe Produkte herausgefordert. Viele Marktakteure der Werkzeugmaschinenbranche betrachten Multitechnologieplattformen als wegweisendes Konzept, um die Produktion den zukünftigen Randbedingungen anzupassen. Multitechnologieplattformen sind komplexe Werkzeugmaschinen, die in der Lage sind, zahlreiche Fertigungstechnologien zur Bearbeitung von Werkstücken zur Verfügung zu stellen. Multitechnologieplattformen ermöglichen so häufig eine Verkürzung der Prozessketten sowie ein Eliminieren von Neben-, Rüst- und Transportzeiten. Demgegenüber stehen jedoch in der Regel erhöhte Investitions- und Betriebskosten sowie eine geringere Produktivität, so dass das Bestimmen der Wirtschaftlichkeit dieser Maschinen eine Herausforderung darstellt. Im Rahmen des Exzellenzclusters Integrative Production Technology for High-Wage Countries werden im Bereich Integrated Technologies die Randbedingungen einer wirtschaftlich effizienten Bearbeitung von Werkstücken mit Multitechnologieplattformen untersucht. Ziel des Projekts ist das Ermitteln von Kriterien, die den wirtschaftlichen Einsatz von Multitechnologieplattformen sicherstellen. Diese Kriterien können sowohl in der Entwicklung von Multitechnologieplattformen als auch für die Auslegung von Produktionssystemen herangezogen werden. Hybrides Bearbeitungszentrum Insbesondere die wirtschaftlich effiziente Anzahl an Arbeitsräumen, mit denen eine Multitechnologieplattform ausgestattet sein muss, ist eine zentrale Fragestellung in diesem Projekt. Werden besonders teure Produktionsressourcen wie beispielsweise eine Laserschweißeinheit lediglich in einem einzigen Arbeitsraum verwendet, so ist die Auslastung dieser Ressourcen gering. Besteht jedoch die Möglichkeit, mit dem Laser in zwei parallel arbeitende Arbeitsräume einzugreifen, steigt die Auslastung der jeweiligen Produktionsressource und deren Investitionskosten können über eine größere Anzahl an Bauteilen abgeschrieben werden. Dies ist jedoch nur möglich, wenn der Anteil an Laseroperationen pro Bauteil relativ gering ausfällt. Wird in beiden Arbeitsräumen fast ausschließlich geschweißt, so muss der eine Arbeitsraum stets auf den Laser, der sich gerade im jeweils anderen Arbeitsraum befindet, warten und es kommt zu einer Verlängerung der Durchlaufzeit. An diesem Beispiel wird deutlich, dass der Einsatz von mehreren Arbeitsräumen im Wesentlichen vom Produktprogramm abhängig ist und nur anwendungsspezifisch bewertet werden kann. Neben der Frage nach der Anzahl an Arbeitsräumen werden Methoden entwickelt, die Anforderungen an Multitechnologieplattformen aus Eigenschaften konventioneller Mehrmaschinensysteme abzuleiten. Hierbei gilt es, Fertigungskosten, Produktivität und Durchlaufzeiten der alternativen Systeme miteinander zu vergleichen. So konnte bereits im Rahmen des Forschungsprojekts gezeigt werden, dass die Durchlaufzeiten in Systemen mit Multitechnologieplattformen eine kritische Größe darstellen, da die Arbeitsräume integrierter Systeme häufig stärker ausgelastet sind als die Arbeitsräume von konventionellen Mehrmaschinensystemen. Kontakt Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Stephan Tönissen Tel:

89 Ausgewählte Veröffentlichungen Klocke, F.: Präzisionsbearbeitung als Schlüsseltechnologie der Zukunft in: Werkstattstechnik online 102 (2012) 6,S. 364 Klocke, F.; Döbbeler, B.; Lung, D.: Energie- und Ressourceneffizienz - ein zunehmend wichtiger werdendes Kriterium in der Zerspantechnik in: MIN - Unter Span (2012) 2, S. 13 Klocke, F.; Veselovac, D.;Gierlings, S.; Auerbach, T.: Prozessüberwachung für zertifizierte Fertigungsprozesse in der Luftfahrtindustrie»» Klocke, F.; Veselovac, D.; Gierlings, S.; Tamayo, L.: Development of Process Monitoring Strategies in Broaching of Nickel- Based Alloys in: Mechanics & Industry 13 (2012) 1, S. 3-9 Klocke, F.; Arft, M.; Lung, D.: Evaluation of the machining aspects of Austempered Ductile Iron in: International Journal of Metalcasting 6 (2012) 4, S

90 Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Reinhold Kneer WSA - Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung Augustinerbach Aachen Tel.: / Fax: / info@wsa.rwth-aachen.de 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 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, 25 wiss. Mitarbeiter/-innen, 19 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 21 stud. Mitarbeiter/-innen 90

91 Ausgewählte laufende Projekte FLOX COAL 2 Flammlose Kohlestaubverbrennung Die flammlose Kohlenstaubverbrennung ermöglicht eine starke Reduzierung der NOX-Emissionen, wodurch die Entstickung in Kohlekraftwerksprozessen in Zukunft entfallen könnte oder zumindest in wesentlich kleineren Umfang erforderlich wäre. In vorangegangenen Forschungsarbeiten wurde die Kohlenstaubverbrennung im Labormaßstab reaisiert und untersucht. Zur Anwendung dieser Technologie im großindustriellen Maßstab sind Skalierungsmethoden für die FLOX-Brenner notwendig. Ziel des WSA ist es, innerhalb des von der EU (RFCS) geförderten Projektes Skalierungsmethoden und Simulationswerkzeuge für die flammlose Kohlenstaubverbrennung (FLOX) in industriellen Feuerungen zu entwickeln. 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 Simulation der Temperaturverteilung in einer Drallflamme und einer FLOX- Verbrennung 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 ablaufenden Reaktionen ist u. a. die Kenntnis der Kinetikdaten von Pyrolyse und Koksabbrand in diesen Prozess-Atmosphären notwendig. HVIGas zielt speziell auf die grundlagenmäßige Unterstützung des am KIT in Karlsruhe entwickelten Bioliq-Verfahrens. Im Rahmen von HVIGas werden dazu am WSA Kinetikdaten in einem Wirbelbettreaktor in Labormaßstab bei hohen Temperaturen, hoher Aufheizrate und unterschiedlichen Atmosphären für Koks aus Biomasse experimentell ermittelt. 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. Mikroskopische Aufnahmen des düsennahen Strahlzerfalls Excellenzcluster Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse Der Exzellenzcluster Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse hat sich zum Ziel gesetzt, neue Produktionswege für synthetische Kraftstoffe aus Biomasse zu erforschen. Ein entscheidender Teilprozess zur effizienten Nutzung solcher Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren ist die Gemischbildung im Brennraum. In zwei Teilprojekten des Lehrstuhls für Wärmeund Stoffübertragung (WSA) wird der Kraftstoffeinfluss auf den primären Strahlzerfall und die nachfolgende Strahlausbreitung und -verdunstung experimentell untersucht. Ziel der komplementären Untersuchungen ist die fundierte Vorhersage des Kraftstoffeinflusses auf die Gemischbildung und im Umkehrschluss die Definition erstrebenswerte Kraftstoffeigenschaften für eine optimale Gemischbildung. 91

92 Ausgewählte laufende Projekte DFG KN 764/3 Einfluss elektrischer Felder auf Rieselfilme dielektrischer Flüssigkeiten Rieselfilme, d.h. dünne Flüssigkeitsschichten, die an einer begrenzenden Wand herabströmen, treten in einer Vielzahl energie- und verfahrenstechnischer Anlagen und Prozesse auf. Diese Vielfalt möglicher Anwendungen legt im Hinblick auf die Entwicklung möglichst allgemeingültiger Auslegungsmodelle die grundlegende Untersuchung maßgeblicher Transportprozesse innerhalb des Rieselfilms nahe. Im Rahmen des deutsch-russischen DFG Kooperationsprojektes KN 764/3: Untersuchung der Stabilität und der Entstehung 2- und 3-dimensional-welliger Strömungsstrukturen unter dem Einfluss thermokapillarer Kräfte und elektromagnetischer Felder soll der Einfluss elektrischer Felder auf Rieselfilme dielektrischer Flüssigkeiten erfasst werden. Dazu werden am WSA experimentelle Untersuchungen durchgeführt SFB/Transregio 96 Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen - Wärmefluss zwischen Maschinenkomponenten In diesem Projekt werden Modelle entwickelt, die den Wärmeübergang zwischen verschiedenen Maschinenkomponenten beschreiben. Diese Modelle sind notwendig um das thermische Ausdehnungsverhalten der Werkzeugmaschinen, beispielsweise mit FE-Simulationen, abbilden zu können. Neben experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung des Kontaktwärmeübergangs werden auch numerische Ansätze zur Bestimmung des Wärmeübergangs verfolgt. Links: Temperaturverteilung an der Kontaktstelle (Draufsicht) Rechts: Temperaturverteilung im Körper (Schnittansicht) Berechnetes Überschneidungsprofil zweier rauer Oberflächen SFB 686 Modellbasierte Regelung der Homogenisierten Niedertemperaturverbrennung Die Verbrennung fossiler Brennstoffe wird auch in Zukunft eine tragende Rolle in der Energiebereitstellung spielen. Niedertemperatur-Verbrennungsprozesse stellen hierbei den nächsten Schritt zur Verbrauchs- und Emissionsreduktion dar und werden konventionelle Verbrennungsprozesse langfristig ablösen. Zur Regelung von Niedertemperatur-Verbrennungsprozessen sind genaue Kenntnisse über alle ablaufenden Teilprozesse und deren Einfluss auf den Gesamtprozess notwendig. Am Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung wird der Gemischbildungsprozess untersucht, d.h. die Durchmischung von Kraftstoff und Luft, die der Verbrennung vorausgeht und deren Randbedingungen festgelegt. 92

93 Ausgewählte Veröffentlichungen Rohlfs, W., Dietze, G. F., Haustein, H. D., Tsvelodub, O., Kneer, R.: Experimental investigation of 3-dimensional wavy liquid films under the influence of electrostatic forces; Experiments in Fluids 53 (2012) 4, 1045/1056 Ikeda, M., Toporov, D., Christ, D., Stadler, H., Förster, M., Kneer, R.: Trends in NOx Emissions during Pulverized Fuel Oxy-fuel Combustion; Energy Fuels 26 (2012) 3141/3149 Habermehl, M., Erfurth, J., Toporov, D., Förster, M., Kneer, R.: Experimental and numerical investigations on a swirl oxycoal flame; Applied Thermal Engineering 49 (2012) 161/169 Pischke, P., Cordes, D., Kneer, R.: The velocity decomposition method for second order accuracy in stochastic parcel simulations, International Journal of Multiphase Flow 47 (2012) 160/170 Haustein, H., Rohlfs, W., Al-Sibai, F., Kneer, R.: Evaluation of the Sensitivity and Response of IR Thermography from a Transparent Heater in the Case of Liquid Jet Impingement J. of Physics: Conference Series 395 (2012) Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

94 Modellierung in der Elektrochemischen Verfahrenstechnik Forschungsschwerpunkte 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 Jülich Tel.: / Fax: / w.lehnert@fz-juelich.de Studienrichtungen Energietechnik, Verfahrenstechnik Schwerpunkte Modellierung und Simulation von Brennstoffzellen, Entwicklung von Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFC)»» Personal 0 Professor, 0 Obering./-innen, 14 wiss. Mitarbeiter/-innen, 5 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 4 stud. Mitarbeiter/-innen Brennstoffzellen stehen heute in mehreren Bereichen an der Schwelle zur Markteinführung. Die drei wesentlichen Säulen des Fortschritts sind heute die Materialtechnik, die elektrochemische Mechanismenforschung sowie Modellierung und Simulation. Durch Modellierung und Simulation wurde es möglich, die komplexen Wechselwirkungen innerhalb der Brennstoffzellen besser zu verstehen. Die Spanne der Modelle reicht von der Beschreibung grundlegender Aspekte der Elektrochemie bis hin zu der Beschreibung von Gesamtsystemen. Wesentliche Effekte, die in den verschiedenen Komponenten einer Brennstoffzelle eine Rolle spielen sind Stoff-, Wärme- und Ladungstransport. Diese sind gekoppelt mit elektrochemischen Reaktionen. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt zum einen in der Aufklärung von grundlegenden physikalisch/chemischen Zusammenhängen insbesondere in den mikroporösen Strukturen der Zellen. Zum anderen besteht die Herausforderung, die dort gewonnenen Erkenntnisse in den Bereich der Zell- und Stackmodellierung zu transferieren. Die hieraus folgenden Modelle zur makroskopischen Beschreibung von Zellen und Stacks werden benötigt, um die Auslegung von Stacks durch Simulationen zu unterstützten. Die Schwerpunkte sind: Modellierung und Simulation von Brennstoffzellen auf Stack- Zell- und Zellkomponentenebene. Auf der Zellkomponentenebene werden Lattice-Boltzmann Methoden zur Beschreibung von Stofftransporteffekten in porösen Medien entwickelt. Im Bereich der Zell- und Stackebene wird neben dem kommerziellen CFD-Tool Fluent verstärkt das Open Source Tool OpenFOAM eingesetzt. Entwicklung von HT-PEFC (Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen) Stacks bis 5kWel für den Betrieb mit Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltigem Reformat. Die Auslegung von Zellen und Stacks sind Schwerpunkte der Arbeiten. Entwicklung von Elektroden und Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) für HT-PEFCs. Die Elektroden werden im Rakelverfahren hergestellt und anschließend getestet. 94

95 Ausgewählte laufende Projekte Modellierung und Simulation von Hochtemperatur-Polymerelektrolyt- Brennstoffzellenstapeln Modelle, die zur Auslegung Stacks verwendet werden, müssen in der Lage sein, den Einfluß der geometrischen Zellstruktur auf das Betriebsverhalten zu beschreiben. Eine detaillierte Beschreibung auf Elektrodenebene findet üblicherweise nicht statt; die porösen Strukturen und die Elektrochemie werden im Rahmen von Kontinuumsmodellen berücksichtigt. Experimentell bestimmte Parameter beziehungsweise Parameter, die aus Detailmodellen bestimmt wurden, fließen in die Simulationen ein. Die Modellgleichungen zur Beschreibung der kathodischen und anodischen Verluste werden mittels User Defined Funtions (UDFs) in das Simulationstool Fluent integriert. Aufgrund des Brenngases, welches CO enthält, wird zusätzlich die anodenseitige Katalysatorvergiftung durch diese Gaskomponente berücksichtigt. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeiten ist die Modellverifikation. Sowohl Einzelzellen als auch Zellstapel bis in den kw-leistungsbereich werden entwickelt, gebaut und detailliert vermessen. Neben den globalen Strom- Spannungskurven wurden lokale Stromdichte-und Temperaturverteilungen in Stacks gemessen. Diese Messungen dienen zur Verifikation der Modelle. Simulierte und gemessene Stromdichteverteilung in einem HT-PEFC Stack. Mittlere Stromdichte: 0.4 A/cm^2, mittlere Temperatur: 160 C, A: Strömungsrichtung des Reformatgases, B: Strömungsrichtung der Luft, Öl: Strömungsrichtung des Kühlmediums Untersuchung des Betriebsverhaltens von Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen Das Betriebsverhalten von Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen bei Einsatz von Dieselreformat als Brenngas wird experimentell untersucht. Im IEK-3 entwickelte Stacks bilden die hardwaremäßige Grundlage für die Untersuchungen. Aufgrund von Messungen der Stromdichteverteilung im Stack und Stromspannungskennlinien konnte gezeigt werden, dass die Strömungsführung der Gase und des Kühlmediums wesentlichen Einfluß auf die Lebensdauer der Stacks haben. Bei Betrieb der Stacks mit Dieselreformat zeigte sich die homogenste Stromdichteverteilung in der Zellebene wenn Brenngas und Luft im Gegenstrom und das Kühlmedium im Gleichstrom mit dem Anodengas geführt wurden. Gleichzeitig zeigte sich bei dieser Strömungsführung die höchste Lebensdauer im Vergleich zu anderen untersuchten Strömungsführungen. Links: Versuchsaufbau zur Messung der Stromdichteverteilung in einem 5 zelligen HT-PEFC. Stack. Rechts: Segmentierte Platine zur Messung der Stromdichteverteilung (S++) 95

96 3D-Analyse, Modellierung und Simulation der Mikrostruktur und Transportprozesse in faserbasierten porösen Werkstoffen Im Mikrometerbereich sind die morphologischen Struktureigenschaften komplexer Porensysteme eng verknüpft mit Nutzungseigenschaften poröser Materialien, insbesondere mit Eigenschaften von Ein- und Zweiphasentransportprozessen im Porenraum, aber auch mit den elektrochemischen Eigenschaften. Auf Grundlage synchrotrontomographischer Daten werden in Kooperation mit dem Institut für Stochastik der Universität Ulm Modelle zur Darstellung der Feinstruktur der faserbasierten porösen GDL erstellt. Die Datenbasis für die Strukturmodelle kommt entweder aus 2D rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen oder 3D Synchrotrontomographiedaten, wobei letztere in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin generiert werden. Basierend auf den stochastischen 3D Strukturmodellen wird der Gastransport in den porösen Schichten mit der Lattice-Boltzmann Methode detailliert im IEK-3 simuliert. Aus der Kopplung von stochastischen Struktur- und numerischen Transportmodellen ergeben sich Erkenntnisse über den Zusammenhang von Fertigungsparametern auf die Struktur/Stofftransporteigenschaften. 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. Phosphorsäureverteilung in Membran-Elektroden-Einheiten von Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen In HT-PEFCs wird mit Phosphorsäure beladenes Polybenzimidazol als Elektrolyt in den Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) eingesetzt. Der Elektrolyt zeichnet sich dabei durch eine hohe protonische Leitfähigkeit bei Arbeitstemperaturen um 160 C aus. Um die Leistung sowie die Lebensdauer von HT-PEFCs zu erhöhen ist es notwendig MEAs herzustellen, in denen sich die Verteilung der Phosphorsäure innerhalb der Membran und den Katalysatorschichten genau einstellen lässt. Mittels hoch orts- und zeitaufgelöster in-situ Messungen mit Synchrotronstrahlung konnte die lokale Verteilung der Phosphorsäure innerhalb der MEA sichtbar gemacht werden, ohne den Brennstoffzellenbetrieb zu unterbrechen. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass sich das Gleichgewicht zwischen Ortho- und Pyrophosphorsäure in der MEA als Funktion der Betriebsbedingung ändert; die Wasserproduktion aufgrund der elektrochemischen Reaktion führt zu einer Verdünnung der Phosphorsäure. Zelle zur Messung der Phosphorsäureverteilung in einer HT-PEFC mittels X-ray Synchrotronradiographie. Die roten Pfeile stellen die Strahlrichtung dar. Mit Lattice Boltzmann Simulationmethoden berechnete Strömungsverteilung in einer Gasdiffusionslage einer PEFC. 96

97 Ausgewählte Veröffentlichungen M. Kvesić, U. Reimer, D. Froning, L. Lüke, W. Lehnert, D. Stolten: 3D Modeling of a 200 cm2 HT-PEFC Short Stack Int. J. Hydrogen Energy 37 (2012) M. Kvesić, U. Reimer, D. Froning, L. Lüke, W. Lehnert, D. Stolten: 3D Modeling of a HT-PEFC Stack Using Reformate Gas Int. J. Hydrogen Energy, 2012, 37 (2012) L. Lüke, H. Janßen, M. Kvesić, W. Lehnert, D. Stolten: Performance Analysis of HT-PEFC Stacks Int. J. Hydrogen Energy 37 (2012) G. Gaiselmann, R. Thiedmann, I. Manke, W. Lehnert, V. Schmidt: Stochastic 3D Modeling of Fiber-Based Materials Computational Materials Science 59 (2012) W. Maier, T. Arlt, K. Wippermann, C. Wannek, I. Manke, W. Lehnert, D. Stolten: Correlation of Synchrotron X-ray Radiography and Electrochemical Impedance Spectroscopy for the Investigation of HT-PEFCs J. Electrochem. Soc 159 (2012) F398-F404 Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

98 Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Peter Loosen TOS - Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme Steinbachstraße Aachen Tel.: / Fax: / peter.loosen@tos.rwth-aachen.de Studienrichtungen Produktionstechnik, Konstruktion und Entwicklung, Verkehrstechnik, Grundlagen des Maschinenwesens Schwerpunkte Optische Systeme für Laser, Laser-Anwendungen und Beleuchtung, Technologie der extrem-ultravioletten Strahlung Optische Systeme für Laserquellen und -anlagen Anspruchsvolle optische Systeme sind in vielen Fällen entscheidende Komponenten, um die Leistungsfähigkeit des Lasers in Produktionsvorteile umsetzen zu können. Dies betrifft z.b. hochkorrigierte Fokussiersysteme für hohe Laserleistungen, Einrichtungen zur Strahlhomogenisierung oder innovative Systeme zur Strahlformung und -führung. Die Kompetenzen des Lehrstuhls umfassen das fertigungs- und montagegerechte Optik-Design, die Montagetechnik sowie die Intergration von Aktoren und Sensoren zur Realisierung aktiver und geregelter optischer Systeme. Optische Systeme für Beleuchtungsanwendungen 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. 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.»» Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 21 wiss. Mitarbeiter/-innen, 1 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 21 stud. Mitarbeiter/-innen 98

99 Ausgewählte laufende Projekte Automatisierte Montage optischer Systeme Die Fertigung von optischen Systemen im Laserbereich stützt sich heutzutage immer noch auf manuelle Prozesse, was zur Folge hat, dass ein Großteil der Wertschöpfung beim Laserbau in der manuellen Montage liegt. Um die deutsche Marktführerschaft im Laserbereich auch weiterhin behaupten zu können, soll die Fertigung von Lasern automatisiert werden. Die Herausforderung liegt hier in den kleinen zu produzierenden Stückzahlen und der damit verbundenen hohen Individualität jedes Lasers. Im Rahmen des Exzellenzclusters Integrative Produktionstechniken für Hochlohnländer werden am Lehrstuhl Methoden und Algorithmen entwickelt, welche eine selbstoptimierende Montage ermöglichen. Hierbei liegt ein besonderes Augenmerk auf der Wirtschaftlichkeit der Prozesse, sodass Systeme mit geringen Rüstzeiten und hoher Flexibilität entwickelt werden. Daneben sollen aber auch die heutigen Möglichkeiten von Präzisionstechnik in der Montage ausgeschöpft werden, um so einzelne optische Elemente präzise zu montieren und die Bauteiltoleranzen zu relativieren. Somit soll nicht nur die Leitungsfähigkeit des Produkts Laser erhöht werden, sondern auch die automatisierte Montage der manuellen überlegen sein. Automatisierte Lasermontage Aktive, strahlhomogeneisierende Bearbeitungsoptik Bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile führt die Verwendung thermoplastischer, endlos-glasfaserverstärkter Werkstoffe (GFK) zur signifikanten Verbesserung der mechanischen- sowie verfahrenstechnischen Eigenschaften. Die Herstellung von GFK-Bauteilen erfolgt durch Verschweißen mehrerer Schichten von endlos-glasfaserverstärkten Thermoplaststreifen nach Erwärmung durch Absorption von Laserstrahlung. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts Energieeffiziente Produktion von endlos-glasfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffbauteilen - GreenGlassFiber, wird vom Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme (TOS) der RWTH Aachen eine aktive, strahlhomogenisierende Optik für die Verwendung mit HighPower-CO2-Laserstrahlung entwickelt. Zur Herstellung eines prozessspezifischen Temperaturprofils wird das Rohstrahlprofil in eine rechtecksymmetrische, homogene Brennfleckgeometrie transformiert. Die Strahlformung erfolgt durch zylindrisch facettierte Kupferspiegel. Ein hohes Maß an Energieeffizienz wird durch die Variation des optischen Systemverhaltens an den Bearbeitungsprozess erzielt. Realisierte aktive Optik Die Bearbeitung unterschiedlicher Bauteilgeometrien erfordert eine Adaption der Brennfleckgeometrie und damit der strahlformenden Eigenschaften des Systems. Die Einkopplung der Bearbeitungsenergie kann somit hoch effizient erfolgen. Die gezielte Beeinflussung des optischen Systemverhaltens erfolgt durch die Rekonfiguration des Strahlengangs während der Prozesslaufzeit unter Ausnutzung der beim Optikdesign berücksichtigen Freiheitsgrade. Aufgrund der Verwendung durchgehend reflektierender Optiken und des in Folge realisierten gefalteten Strahlengangs, benötigt die Umorientierung der optischen Komponenten ein hohes Maß an Präzision. Diese Forderung kann durch die Integration piezoelektrischer Rotationsund Linearaktorik erfüllt werden. 99

100 Nanostrukturierung mit EUV Laborbelichtungssystem (EUV-LET) Für viele industrielle Anwendungen der Nanotechnologie wird eine Herstellungsmethode benötigt, die es ermöglicht, nanoskalige, periodische Strukturen über große Flächen mit geringem Zeit- und Kostenaufwand zu realisieren. Die Entwicklung kurzwelliger Strahlungsquellen eröffnet neue Lösungsansätze in diesem Bereich. Unter Verwendung von gasentladungs-basierten Strahlungsquellen für extrem ultraviolette Strahlung (EUV, λ = 5 nm 15 nm) werden eigens entwickelte Transmissionsmasken, die ihrerseits mit entsprechenden periodischen Strukturen versehen sind, belichtet. Hinter der Transmissionsmaske entstehen in definierten Abständen Selbstbilder der Transmissionsmaske. Diese werden dann in einem fotosensitiven Medium aufgenommen und nach einer Entwicklungsprozedur sichtbar gemacht, vergleichbar zur traditionellen Fotografie. Auf Grund der einzigartigen Strahlungscharakteristik der EUV-Quelle ist es sowohl möglich, die Maskenstrukturen zu reproduzieren als auch diese um einen Faktor 2 zu verkleinern. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ILT wurde auf Grundlage vorhergehender Untersuchungen eine EUV Belichtungsanlage für Probengrößen bis 100 mm Durchmesser realisiert (EUV-LET - Laboratory Exposure Tool). Mit Hilfe von hochpräzisen Positionierungs- und Ausrichtungssystemen ist es möglich, den Abstand zwischen Maske und zu strukturierender Probe mit 10 nm Präzision zu kontrollieren. Innerhalb einer Belichtungszeit von ca. 1 Minute können periodische Nanostrukturen über Felder bis zu 4 mm² auf der zu belichtenden Probe erzeugt werden. Die nachgewiesene Auflösung des EUV-LET erreicht 10 nm. Die ersten Ergebnisse bestätigen das Potential des EUV-LET bezüglich der Auflösung, Flexibilität und industrieller Umsetzung. Für diverse Forschungseinrichtungen aus dem Bereich der Nanotechnologie bietet das EUV-LET die Möglichkeit, groß-flächig periodische Strukturen zu erzeugen. Mit Hilfe einer solchen Nanostrukturierungsanlage kann ebenfalls der wachsende Markt der Nanostrukturierung effektiv bedient werden, was besonders für kleine und mittlere Unternehmen relevant ist. Realisierte EUV-Nanostrukturierungsanlage EUV-LET 100

101 Ausgewählte Veröffentlichungen Bäuerle, A., Bruneton, A., Westerm R., Stollenwerk, J., Loosen, P.: Algorithm for irradiance tailoring using multiple freeform optical surfaces. OPTICS EXPRESS 20, Nr 13; (2012) Brose, S., Danylyuk, S., Juschkin, L., Dittberner, C., Bergmann, K., Moers, J., Panaitov, G., Trellenkamp, St., Loosen, P., Grützmacher, D.,: Broadband transmission masks, gratings and filters for extreme ultaviolet and soft X-ray lithography. THIN SOLID FILMS 520, (2012) Gatej, A., Pyschny, N., Loosen, P., Brecher, C. : Robot-based resistance soldering of optical components. Soldering & Surface Mount Technology 24, Nr 2, (2012) Gatej, A., Wasselowski, J., Loosen, P.: Using adaptive weighted least squares approximation for coupling thermal and optical simulation. APPLIED OPTICS 51, Nr 28; (2012) Brecher, C., Schmitt, R., Loosen, P., Guerrero, V., Pyschny, N., Pavim, A., Gatej, A.: Self-optimizing approach for automated laser resonator alignment. OPTICS AND LASERS IN ENGINEERING 50, (2012) Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

102 Aachener Verfahrenstechnik Prozesstechnik Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Marquardt AVT.PT - Aachener Verfahrenstechnik - Prozesstechnik Turmstraße Aachen Tel.: / Fax: / secretary.pt@avt.rwth-aachen.de Studienrichtungen Verfahrenstechnik, Computational Engineering Science Schwerpunkte Forschung und Lehre zur modellbasierten Entwicklung und zum modellgestützten Betrieb verfahrenstechnischer Prozesse und Anlagen»» Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 21 wiss. Mitarbeiter/-innen, 9 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 90 stud. Mitarbeiter/-innen 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 Algorithmen- Forschung ist in die Aktivitäten des Graduiertenkollegs AICES und der German Research School of Simulation Sciences integriert. Ergänzt wird der methodische Schwerpunkt durch industrielle Anwendungen. Die Spin-offs AixCape und S-PACT unterstützen zusätzlich den Technologietransfer. Die Methodenentwicklung erfolgt in den folgenden drei Bereichen: Modellgestützte experimentelle Analyse: Entwicklung einer Methodik zur modellgestützten Planung und Auswertung von Experimenten für die Modellierung kinetischer Phänomene in mehrphasigen und reaktiven Systemen. Prozesssynthese: Entwicklung konzeptioneller Methoden zur modellgestützten Analyse, Synthese und Optimierung von (integrierten) Reaktions- und Trennprozessen. Optimierungsbasierte Regelung: Verfahren zur modellgestützten Regelung, Überwachung und Echtzeitoptimierung von Batch- und Kontiprozessen. Anwendungsschwerpunkte der entwickelten Methoden sind die Umwandlung von Biomasse in Kraftstoff und Chemikalien im Rahmen des Exzellenzclusters Tailor-made Fuels from Biomass, die Aufbereitung von Frisch- und Abwasser sowie Maßnahmen zur energieeffizienten Gestaltung von Prozessen. Fragestellungen werden über mehrere Größenordnungen verfolgt, so dass unsere Beispiele von der Bestimmung vielversprechender chemischer Reaktionswege, über die Modellidentifizierung zur Wärmeübertragung beim Sieden bis hin zum Entwurf von Gesamtprozessen mit Optimierungsmethoden reichen. 102

103 Ausgewählte laufende Projekte Inkrementelle Methode zur Identifizierung des kinetischen Modells einer Friedel-Crafts-Alkylierung in einem zweiphasigen System Die Identifikation von kinetischen Modellen ermöglicht die modellbasierte Analyse, Auslegung und Regelung komplexer Prozesse in der chemischen Industrie. Als Grundlage für die Identifikation werden Modellstrukturen benötigt, die sich an den zugrundeliegenden Mechanismen des kinetischen Prozesses orientiert. In mehrphasigen Systemen sind diese Mechanismen teils sehr komplex, was aus einer direkten Kopplung von Stofftransport und Reaktion resultiert. Dementsprechend ergeben sich in einem Identifikationsprozess komplexe Modellstrukturen, in denen die gekoppelten Mechanismen abgebildet sind. Ein möglicher Ansatz um die einzelnen Beiträge der Mechanismen zu identifizieren ist die Methode der Anfangsreaktionsgeschwindigkeiten. Diese Methode ist jedoch durch einen sehr hohen experimentellen Aufwand gekennzeichnet. Eine neue Methode, welche sich durch eine inkrementelle Identifikation der verschiedenen mechanistischen Beiträge auszeichnet, wird gegenwärtig in der Aachener Verfahrenstechnik Prozesstechnik entwickelt. Die inkrementelle Methodik ermöglicht es in Hinblick auf mehrphasige Systeme, die Beiträge von Stofftransport und Reaktion entkoppelt zu quantifizieren. Damit ergibt sich eine effiziente Identifikation des Gesamtmodells mit einem deutlich geringeren experimentellen Aufwand. In einer Simulationsstudie konnte die inkrementelle Methodik bereits erfolgreich getestet. In gegenwärtigen Arbeiten wird die Methodik mit experimentellen Daten verschiedener mehrphasige Systeme evaluiert. Entwurf und Optimierung verfahrenstechnischer Prozessen Der Entwurf und die Optimierung verfahrenstechnischer Prozessen spielt insbesondere im Kontext sich wandelnder Rohrstoffquellen eine große Rolle in der chemischen Industrie. Die Identifikation von optimalen Syntheserouten und Verfahrensfließbilder stellt dabei eine komplexe Entwurfsaufgabe dar. Innovative Grundoperationen und der mögliche Einsatz neuartiger Lösungsmittel erweitern zwar die Möglichkeiten, aber komplizieren den Entwurfsprozess genauso wie variierende Rohstoffquellen und die Menge möglicher Zwischenprodukte. An der AVT.PT werden optimierungsbasierte Entwurfsmethodiken entwickelt, um den Entwurfsingenieur in seinem Arbeitsprozess zu unterstützen und diesen zu beschleunigen. Das Hauptziel ist dabei einen Beitrag zur effizienten und nachhaltigen Lösung der heutigen und zukünftigen Probleme des verfahrenstechnischen Prozessentwurfs zu leisten. Durch die Anwendung entsprechender optimierungsbasierter Methodiken, an Stelle von Simulationsstudien, kann der Aufwand im konzeptionellen Entwurfsprozess beträchtlich reduziert werden. Ein eindrucksvolles Beispiel für das Potential eines systematischen und optimierungsbasierten Prozessentwurfs stellt der Entwurf eines neuartigen Extraktions-Destillations Hybridprozesses für die biobasierte Produktion von Butanol über die Aceton-Butanol-Ethanol (ABE) Fermentation dar. Durch den optimierten Prozessentwurf konnten sowohl Energiebedarf, als auch die annualisierten Gesamtkosten im Vergleich zum bisherigen Trennprozess zu großen Teilen reduziert werden. Inkrementelle Methode Entwurf und Optimierung verfahrenstechnischer Prozessen 103

104 Sensitivitätsbasierte Ansätze zur dezentralen koordinierten modellprädiktiven Regelung und Zustandsschätzung Dezentrale Regelungs- und Zustandsschätzmethoden sind ein aktueller Forschungsschwerpunkt der Regelungstechnik, wobei dabei verschiedene Aspekte untersucht werden: Die Datenübertragung, die Zuverlässigkeit, die Instandhaltung sowie die Rechenzeit. Dabei ermöglichen dezentrale Regelungs- und Schätzmethoden völlig neue Anwendungen von autonomen Fahrzeugen bis hin zu großen Anlagen der chemischen Industrie. Insbesondere letztere bestehen üblicherweise aus einzelnen Teilprozessen und bieten sich dadurch besonders für diese neuartigen koordinierten Methoden an. Zusätzlich haben wir für S-DMPC und S-PMHE eine Reihe theoretischer Eigenschaften nachgewiesen, wie zum Beispiel Konvergenz zur Lösung der zugehörigen zentralen Methoden. Die Ergebnisse numerischer Simulationen, wie beispielsweise eines Benzol-Alkylierungs-Prozesses, sind vielversprechend und ermutigen uns, das Potential dieser Methoden weiter zu erforschen. Veranschaulichung der iterativen Lösungsmethodik anhand eines QP In diesem Zusammenhang haben wir am AVT.PT kürzlich eine neue sensitivitätsbasierte Methode zur verteilten, modellprädiktiven Regelung (S-DMPC) und zur verteilten Zustandsschätzung auf bewegtem Horizont (S-PMHE) entwickelt. Unter der Annahme einer komplett zerlegbaren Zielfunktion des Gesamtsystems lassen sich die Zielfunktionen der Teilsysteme derart modifizieren, dass das Ergebnis ebenso optimal wie bei zentralen Methoden ist. Da die Veränderung der Zielfunktionen für die einzelnen Teilsysteme eine Linearisierung im Hinblick auf benachbarte Teilsysteme beinhaltet, nennen wir unsere Methode zur verteilten Regelung und Schätzung sensitivitätsbasiert. Konvergenz der Lösung des S-DMPC Reglers zu der eines zentralen Reglers 104

105 Ausgewählte Veröffentlichungen Korbinian Krämer, Andreas Harwardt, Rob Bronneberg, Wolfgang Marquardt: Separation of butanol from acetone butanol ethanol fermentation by a hybrid extraction distillation process, Computers & Chemical Engineering, 2011, 35(5) C. Michalik, M. Brendel, W. Marquardt: Incremental Identification of Fluid Multi-Phase Reaction Systems, AIChE Journal 55 (2009) René Schneider, Holger Scheu, Wolfgang Marquardt: An iterative partition-based moving horizon estimator for large-scale linear systems. In: ECC 13 (European Control Conference), Zürich, Switzerland, (accepted) Holger Scheu, Wolfgang Marquardt: Sensitivity-based coordination in distributed model predictive control. Journal of Process Control, 2011, 21(5), A. Voll, W. Marquardt: Reaction network flux analysis: Optimization-based evaluation of reaction pathways for biorenewables processing, Aiche Journal, 58 (2012) Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

106 Multi-Scale Modelling of Molecular Transformations Forschungsschwerpunkte Juniorprof. Dr. Ahmed E. Ismail, Ph.D. AVT.MST - Aachener Verfahrenstechnik - Multi-Scale Modelling of Molecular Transformations Aachen Institute for Advanced Study in Computational Engineering Science (AICES) Molekulare Simulationen Multiskalen Modellierung Auflösung der Zellulose Simulationen der Gernzfläche Verbesserte Algorithmen für molekulare Simulationen Schinkelstraße Aachen Tel.: / Fax: / ahmed.ismail@avt.rwth-aachen.de Studienrichtungen Verfahrenstechnik, Computational Engineering Science Schwerpunkte Molekulare Modellierung, Materialwissenschaft, Polymere und Biopolymere Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 5 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 6 stud. Mitarbeiter/-innen 106

107 Ausgewählte laufende Projekte Moleküldynamiksimulationen von Zelluloseauflösung Die Auftrennung von Lignocellulose-Biomasse in ihren Komponenten Zellulose, Lignin und Hemizellulose ist die größte Herausforderung um Brennstoff-Produktion aus Zellulose-Biomasse ökologisch und wirtschaftlich durchführbar zu machen. Ionische Flüssigkeiten und Medien wie Organocat und Organosolv wurden als potenzielle Lösungsmittel für Biomasse vorgeschlagen, aber die Mechanismen, wie diese Materialien auf molekularer Ebene arbeiten, sind noch nicht gut verstanden. Wir verwenden Molekulardynamik-Simulationen um die strukturellen, thermodynamischen und Transporteigenschaften der Lösungsmittel-Medien sowohl isoliert als auch in Interaktion mit Wasser und Zellulose zu untersuchen. Durch die Beobachtung der Änderungen in der chemischen Struktur des Lösungsmittels im Prozess, geben wir Empfehlungen zu Verarbeitungsbedingungen und Lösungsmittelwahl, welche die Effizienz und Effektivität der Auftrennung verbessern. Zudem entwickeln wir durch Kopplung der atomistischen Berechnungen mit grobkörnigen Methoden, wie kinetische Monte Carlo Techniken, mathematische Modelle für die Simulation der Auflösung der gesamten Zellstoffbündel. Diese Modelle werden qualitative und quantitative Vorhersagen des Verhaltens liefern, die innerhalb des Excellenzclusters Tailor-Made Fuels from Biomass mit den Ergebnissen von Experimenten der Kollegen verglichen werden können. Eine Kette ionischer Flüssigkeiten (orange, grüne und rote Sphäre) um eine Zellulosemolekül Struktur und Dynamik von Grenzflächen Viele interessante physikalische und technische Vorgänge finden an Grenzflächen zwischen Materialien statt, besonders an Flüssigkeits- Dampf-Schnittstellen auf der Flüssigkeits-Festkörper-Grenzfläche, oder wo mehrere Flüssigkeiten oder Feststoffe in Berührung kommen. Aktuelle Forschung in diesem Bereich ist die Untersuchung des Phänomens des sogenannten Superspreading. Dieser Effekt tritt bei bestimmten Tensiden auf, die in der Lage sind, die Oberflächenspannung von Wasser so stark zu verringern, dass die Benetzungseigenschaften auf verschiedensten Oberflächen vollständig Verändert werden. Problematisch ist allerdings die starke Toxizität dieser Materialien, was die Notwendigkeit hervorbringt, umweltfreundliche Alternativen mit gleichen Eigenschaften zu fin- den. Deshalb forschen daran, wie die chemische Struktur dieser Tenside die Oberflächenspannung und damit die Ausbreitung auf Oberflächen direkt beeinflusst. Diese Arbeit wird dazu genutzt um die Eignung mehrerer verschiedener Simulationstechniken für die Simulation des Verhaltens an Grenzflächen zu untersuchen. Wir untersuchen auch, wie sich Moleküldynamiksimulation und Kontinuumsmechaniksimulation verbinden lassen um die Struktur und Dynamik von Polymerbürsten zu erforschen. Diese Materialien, die als Beschichtungs- und Gleitmittel verwendet werden, weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die denen von typischen Polymerschmelzen oder -lösungen sehr verschieden sind. Die systematische Bestimmung des Verhaltens dieser Materialien ist aufgrund der großen Längen- und Zeitskalen sehr komplex; zudem muss eine große Anzahl an Freiheitsgraden, wie Bürstendichte, Kettenlänge der Bürstenhaare und die chemische Zusammensetzung des Polymers berücksichtigt werden. Molekulare und Finite-Elemente Simulationen des Eindrucks einer Polymerbürste Bessere Algorithmen für molekulare Simulationen Neben der reinen Anwendung, arbeiten wir auch an der Entwicklung besserer Methoden, die uns genauer und effizienter zu den Ergebnissen führen als dies mit bestehenden Tools möglich ist. So haben wir beispielsweise die erste Implementierung eines particle-particle-particle-mesh Solvers für die Langstrecken-Dispersion Wechselwirkungen zwischen ungebundenen Atomen durchgeführt und erfolgreich eingesetzt. Derzeit arbeiten wir an der Entwicklung noch effizienterer Werkzeuge, wie z. B. eines linearen Zeit-Solvers der die kürzlich eingeführten mehrstufigen Summation-Methoden aufgreift. Weitere Techniken sind aber erforderlich, um atomistische Simulationen bei größeren Längen- und Zeitskalen zu ermöglichen. Selbst mit den Fortschritten in Richtung Exascale Computing, sind wir heute mit atomistischen Simulationen nur in der Lage Modellierungssysteme in der Größenordnung von zehn Nanometern und Mikrosekunden durchzuführen. Um diese Einschränkungen umzugehen, entwickeln wir Methoden, die es durch multiresolution, adaptive refinement ermöglichen die Detailtiefe in einer Simulation zu beschränken. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mehrskalenmethoden sind diese Methoden anpassungsfähig in Hinblick auf eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme und bieten integrierte Strategien sowohl für die Grob-Körnung als auch für Reverse-Mapping-Verfahren. Auch diese Verfahren sind sehr effizient und ermöglichen einen hohen Grad an Vergröberung, so dass Hunderte von Wiederholungseinheiten eines Polymers zu einem einzigen Körper zusammengefasst werden können. Trisiloxan- Superspreaders an der Luft-Wasser-Grenzfläche 107

108 Ausgewählte Veröffentlichungen RE Isele-Holder, W Mitchell, and AE Ismail: Development and application of a particle-particle particle-mesh Ewald method for dispersion interactions. J. Chem. Phys., 137, (2012). BL Peters, JMD Lane, AE Ismail, and GS Grest: Fully-atomistic simulations of the response of silica nanoparticle coatings to alkane solvents. Langmuir. 28, (2012). BD Rabideau and AE Ismail: The Effects of Chloride Binding on the Behavior of Cellulose-Derived Solutes in the Ionic Liquid 1-Butyl-3-methylimidazolium Chloride J. Phys. Chem. B. 116, 9732 (2012). RE Isele-Holder, BD Rabideau, and AE Ismail. Definition and Computation of Intermolecular Contact in Liquids using Additively Weighted Voronoi Tessellation. J. Phys. Chem. A. 116, 4657 (2012). Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

109 Aachener Verfahrenstechnik Systemverfahrenstechnik Forschungsschwerpunkt Die Systemverfahrenstechnik (Process Systems Engineering) befasst sich mit rechnergestützten Methoden für die Verfahrenstechnik, d.h. Modellierung, Simulation und Optimierung. Ziele sind insbesondere Prozessentwurf (Process Synthesis), Prozessoptimierung (Process Optimization), Prozessregelung und Prozessführung (Process Control). Systemverfahrenstechnik ist in der Schnittmenge zwischen Verfahrenstechnik und angewandter Mathematik/computational engineering. Der Fokus der Forschung der AVT.SVT liegt in der optimalen Auslegung neuartiger chemischer Prozesse und Energiesysteme, basierend auf bestehenden und neuen Design- und Optimierungsmethoden. Parallel dazu besteht ein methodisches Interesse in der Entwicklung von Optimierungsalgorithmen und deren Anwendung auf reale Prozesse. Dabei werden eine Reihe von chemischen Prozessen und Energiesystemen in Betracht gezogen, mit einem besonderen Fokus auf Sonnenwärmekraftwerken, Meerwasserensalzungsanlagen, sowie CO2-Abscheidung und Polymerizationsprozesse. Im Bereich der Optimierung liegt der Schwerpunkt auf der deterministischen globalen Optimierung, insbesondere von eingebeteten Problemen (bilevel, semi-infinite). Neben dem gemeinsamen Arbeiten in unserem Team bestehen RWTHinterne und externe Kooperationen. Univ.-Prof. Dr. Alexander Mitsos, Ph.D. AVT.SVT - Aachener Verfahrenstechnik - Systemverfahrenstechnik Turmstraße Aachen Tel.: / Fax: / secretary.pt@avt.rwth-aachen.de Studienrichtungen Verfahrenstechnik Schwerpunkte Optimierung von Energie- und Verfahrenstechnischen Systemen, Chemische Thermodynamik, Entwicklung von numerischen Algorithmen für (globale) Optimierung Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 3 wiss. Mitarbeiter/-innen, 1 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 0 stud. Mitarbeiter/-innen 109

110 Ausgewählte laufende Projekte Konzentrierte Solarenergie Konzentrierte Solarenergie (engl: concentrated solar power (CSP)) hat das Potential zur bezahlbaren und nachhaltigen Energieproduktion, doch bis dahin müssen noch einige Herausforderungen überwunden werden. Zur Planung und Optimierung neuer wie bestehender Anlagen nutzt unsere Gruppe Simulations- und Optimierungsalgorithmen, die dem neusten Stand der Forschung entsprechen. Wir haben zu dem CSPonD-Konzept beigetragen, in dem Heliostate auf Anhöhen platziert werden und Energie in ein flüssiges Salzbad einspeisen, welches bei hoher Temperatur betrieben wird. Wir haben Methoden für die optimale Kombination und den optimalen zeitveränderlichen Betrieb der gemeinsamen Energieerzeugung und Meerwasserentsalzung vorgestellt. Wir haben Werkzeuge zur Geländeauswahl und zur Positionierung der Heliostate entwickelt, die Höhendaten von öffentlichen und privaten Geographischen Inforamtionssystemen nutzen. Diese optimierungsbasierten Tools enthüllten neue Anordnungen zu denen ein natürliches Turmkonzept sowie eine biomimetrische Spirale zur Platzierung der Heliostate gehören. Beide erlauben eine verbesserte Landnutzung und eine höhere solarthermische Effizienz. Momentan entwickeln wir Ansätze zur optimalen Integration von Solarenergie und geothermischer Energie mit fossilen Kraftstoffen. Solange diese relaxierten Faktoren keine punktweise quadratische Konvergenz aufweisen, kann keine Verbesserung der Konvergenzordnung im Vergleich zur Größenordnung der unterliegenden Berechnung der Grenzen garantiert werden. Zusätzlich haben wir die Theorie um eine neue Relaxationsklasse von Chachuat erweitert, welche die McCormick-Relaxationen mit sogenannten Taylor-Modellen kombiniert. Aufgrund dieser Ergebnisse zielen wir auf die Entwicklung neuer Relaxationstechniken. Kohlenstoffbindung und -speicherung Fossilen Kraftstoffe wird vorausgesagt, den Großteil des Energiebedarfs auch für die nächsten Jahrzehnte zu decken. Dies schürt das Interesse an Technologien zur Kohlenstoffbindung und -speicherung (engl: Carbon capture and sequestration (CCS)). Wir fokussieren uns auf Sauerstoff- Verbrennungsprozesse, bei denen Sauerstoff aus der Umgebungsluft separiert wird. Dadurch erfolgt die Verbrennung in einer stickstofffreien Atmosphäre, was wiederum die CO2-Trennung durch Kondensation ermöglicht. Wir ziehen sowohl kurzfristige Lösungen mit Tieftemperatur-basierten Luftzerlegern als auch mittelfristige Lösungen mit Membran-basierter Trennung in Betracht. Wir haben Konzepte zum optimalen Design und Betrieb des ITEA/ENEL-Kohle-Sauerstoff-Verbrennungsprozesses vorgestellt, welche demonstrieren, dass ein idealer Betrieb nur bei simultaner Optimierung des chemischen Teils der Anlage und der Turbomaschinen erreicht werden kann. Unsere Optimierung resultiert in einem Prozess, der ideale Flexibilität gegenüber Änderungen der Kohleart und Betriebslast gewährleistet. Im Rahmen des Optimierungs- und Analyseprozesses haben wir ein neues Designkriterium für regenerative Rankine-Kreisläufe identifiziert, nämlich die Forderung nach dem gleichzeitigen Auftreten eines Pinches an zwei verschiedenen Orten in geschlossenen Speisewasservorwärmern. Für Membran-basierte Prozesse haben wir ein neues Reaktordesign vorgeschlagen, sowie existierende Designs auf Systemebene analysiert und verbessert. Weiterhin haben wir eine neue Metrik zum partiellen Vergleich von Emissionszyklen dargelegt, in der die Anlagen auf Flottenebene verglichen werden. Ein Zyklus wird verworfen, wenn er durch Linearkombinationen alternativer Zyklen übertroffen werden kann. Zukünftige Arbeiten beinhalten die Identifizierung optimaler Designs auf der Prozessebene und die optimale Verknüpfung mit anderen Technologien. Theorie und Algorithmen zur globalen Optimierung Die Optimierung von chemischen und energetischen Systemen resultiert in nichtkonvexen Optimierungsproblemen deren optimale Lösung nur durch deterministische globale Löser garantiert werden kann. Diese verwenden oft konvexe/konkave Relaxationen, d.h. konvexe bzw. konkave Funktionen, die Funktionen des Optimierungsproblems unter- bzw. überschätzen. Es existieren viele alternative Ansätze zur Relaxation, doch nur wenig theoretische Analysen zum Vergleich dieser. Eine der wichtigsten Relaxationsmethoden ist das Theorem zur Zusammensetzung von faktorisierbaren Funktionen von McCormick (1976). Wir haben eine Struktur zur Konvergenzrate der McCormick-Relaxationen in der Punktweisen- und Hausdorff-Metik entwickelt. Die Konvergenzrate zusammengesetzter Funktionen hängt von der Konvergenzrate der relaxierten Faktoren ab. 110

111 Ausgewählte Veröffentlichungen A. Ghobeity, A. Mitsos: Optimal design and operation of a solar energy receiver and storage, J Sol Energ-T ASME, 134 (2012) N.D. Mancini, S. Gunasekaran, A. Mitsos: A multiple-compartment ion-transport-membrane reactive oxygen separator, Ind Eng Chem Res, 51 (2012) A. Bompadre, A. Mitsos: Convergence rate of McCormick relaxations, J Global Optim, 52 (2012) H. Ghasemi, M. Paci, A. Tizzanini, A. Mitsos: Modeling and optimization of a binary geothermal power plant, In press: Energy, (2012)»» E.J. Sheu, A. Mitsos, A.A. Eter, E.M.A. Mokheimer, M.A. Habib, A. Al-Qutub: A Review of hybrid solar-fossil fuel power generation systems and performance metrics, J Sol Energ-T ASME, 134 (2012). 111

112 Aachener Verfahrenstechnik Mechanische Verfahrenstechnik Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Modigell AVT.MVT - Aachener Verfahrenstechnik - Mechanische Verfahrenstechnik Turmstraße Aachen Tel.: / Fax: / secretary.mvt@avt.rwth-aachen.de Studienrichtungen Verfahrenstechnik Schwerpunkte Transportvorgänge in verfahrenstechnischen Apparaten, Suspensionsrheologie, Analyse und Simulation von Hochtemperaturprozessen, CO2 emissionsfreie Kraftwerke, mechanischer Aufschluss von Biomasse Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 9 wiss. Mitarbeiter/-innen, 4 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 15 stud. Mitarbeiter/-innen Die Forschungsschwerpunkte der Mechanischen Verfahrenstechnik (AVT. MVT) lassen sich thematisch in Energie-und Umwelttechnik, Rheologie und hochauflösende Messtechnik gliedern. Die AVT.MVT ist an zwei Verbundprojekten beteiligt, in denen neue Kraftwerkstypen unter Nutzung der Membrantechnik für die CCS-Technologie entwickelt werden. Aufgaben der AVT.MVT sind dabei u.a. die Entwicklung von Hochtemperatur-Membransystemen zur Abtrennung von Sauerstoff aus Luft und die Prozessgestaltung, -optimierung und Bewertung von CCStauglichen Kraftwerkskonzepten. Dabei werden Simulationswerkzeuge zur Abbildung von Hochtemperaturprozessen verwendet, die außerdem zur Analyse und Modellierung anderer Hochtemperaturverfahren wie Klinkeroder Pigmentherstellung genutzt werden. Die AVT.MVT beschäftigt sich aber auch mit der Entwicklung regenerativer Verfahren, wie dem mechanischen Aufschluss von biologischen Rest- und Abfallstoffen als erster Prozessschritt bei der Herstellung von Kraftstoff aus Biomasse (Exzellenzcluster TMFB). Die rheologische Arbeitsgruppe der AVT.MVT beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Untersuchung der rheologischen Eigenschaften von Suspensionen. Von besonderem Interesse sind dabei Suspensionen metallischer Legierungen. Dabei werden die Legierungen experimentell in z.t. selbstentwickelten Hochtemperaturrheometern untersucht, Fließgesetze für die Materialien aufgestellt und Füllvorgänge (unter Berücksichtigung von Erstarrung) numerisch simuliert. Für Grundlagenuntersuchungen zum Stofftransport in Rieselfilmen und Flüssigkeitsstrahlen werden optische Messverfahren entwickelt, mit denen berührungslos mit hoher Orts- und Zeitauflösung die Konzentrationsverteilung von absorbiertem Sauerstoff in der flüssigen Phase ermittelt werden kann. Ziel ist die Entwicklung von verbesserten Stofftransportmodellen und der Klärung und Modellierung von Grenzflächenphänomenen, um optimierte Auslegungsmethoden für technische Apparate wie z.b. Filmabsorber bereitstellen zu können. 112

113 Ausgewählte laufende Projekte OXYCOAL-AC Entwicklung eines CO2-emissionsfreien Kohleverbrennungsprozesses zur Stromerzeugung Gemischt Ionen-Elektronen-leitende keramische Membranen bieten ein hohes Potenzial für die Hochtemperatur-Luftzerlegung, da dank ihrer unendlichen Selektivität eine hohe Sauerstoffreinheit erzielt werden kann. Obwohl diese Membranen seit Jahren intensiv erforscht werden, erfolgte die Anwendung bisher nur im Labor- oder im Kleinversuchsmaßstab. Im Jahr 2012 wurde von AVT.MVT ein Membran-Modul im Pilotmaßstab mit einer Membranfläche von 14m2 in Betrieb genommen. Damit ist dieses Modul das größte für keramische Sauerstofftransportmembranen in Europa. Bei voller Bestückung können 600 Membranrohre mit einer Länge von 500mm und einem Durchmesser von 15mm aufgenommen werden. Die Membranen bestehen aus BSCF und werden vom Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau gefertigt. Membran Pilotanlage Stofftransport im Rieselfilm Apparate zur Stoff- und Wärmeübertragung in Mehrphasensystemen sind häufig so gestaltet, dass sich die flüssige Phase als dünner, welliger Film ausbildet. In diesen Filmströmungen ist der Transport einer skalaren Feldgröße gegenüber dem Transport in einer Filmströmung mit glatter Oberfläche gesteigert. Die zugrunde liegenden kinetischen Phänomene sind im Detail noch nicht verstanden. Zu deren Aufklärung sind zeitlich und örtlich hoch aufgelöste Messungen zur Verteilung einer transportierten Größe notwendig. Bei der AVT.MVT wurde die Messmethode der planaren Laserinduzierten Lumineszenz (PLIL) entwickelt. Mittels PLIL kann die physikalische Absorption von Sauerstoff in einem entgasten wässrigen Film gemessen werden. Die Messmethode basiert auf einem sauerstoffsensitiven optischen Indikator. Dieser emittiert nach einer gepulsten Anregung mit UV-Licht sowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz. Um eine zweidimensionale Konzentrationsverteilung zu erhalten, wird ein Volumenelement eines Rieselfilms mit einem Laser angeregt. Die emittierte Phosphoreszenz wird dann mit einer hochempfindlichen CCD-Kamera aufgenommen. In diesem Foto entspricht der Grau Wert jedes Pixels der lokalen Sauerstoffkonzentration. Gleichzeitig ist es möglich die Filmdicke zu berechnen. Daher ermöglicht die PLIL einen detaillierten Blick auf lokale Transportprozesse sowohl Bereich des Wellenbergs als auch im Bereich der Kapillarwelle. Schematischer Versuchsaufbau und Ergebnis der PLIL Um den für den Sauerstofftransport benötigten Sauerstoffpartialdruckgradienten, welcher die treibende Kraft für den Membranprozess ist, zu erreichen, kann das Modul bei einem Feed-Druck von 20 bar, einem Vakuumdruck von 50 mbar und einer Temperatur von 900 C betrieben werden. Zurzeit wird das Modul einem Langzeittest bei reduzierter Bestückung unterzogen. Dabei kann mehr als 1m3/h Sauerstoff mit einer Reinheit von ca. 99% produziert werden. 113

114 Modellierung der Fließeigenschaften von teilerstarrten Aluminiumlegierungen Ziel der Arbeiten bei AVT.MVT ist die experimentelle Untersuchung des Verformungsverhaltens von teilerstarrten Legierungen sowie die numerische Simulation von Gießprozessen mit Hilfe der experimentell gewonnenen Daten. Die Ursache für Gießdefekte in komplizierten Aluminiumbauteilen liegt in verschiedenen komplexen Phänomenen während des Gießens und der Erstarrung. Es ist bekannt, dass Gießdefekte wie die Porenbildung durch die Anwesenheit von Oxidpartikeln in der Schmelze beeinflusst werden. Mittels moderner Verfahren der Fluidmechanik ist es möglich, die Verteilung der Porenkeimzellen während des Formfüllvorgangs zu verfolgen. Dazu ist es notwendig, das Fließverhalten während des Formfüllprozesses vorherzusagen. Bei AVT.MVT wurden daher Experimente zum nichtlinearen Fließverhalten einer Schmelze mit und ohne Verunreinigungspartikeln durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen werden Rheometer mit Einsatztemperaturen bis zu 1000 C eingesetzt Auf Basis der Experimente wurde ein empirisches Viskositätsmodell in Abhängigkeit von Scherrate (0,001 s-1 bis 800 s-1), Feststoffanteil (0-40%) und Partikelgrößenverteilung aufgestellt. Das untersuchte Material zeigte dabei scherverdünnende Eigenschaften, einem Potenzansatz folgend. Der Einfluss der Partikelgröße wurde mit einem Krieger-Dougherty Ansatz modelliert. Zusätzlich wurde der Einfluss der Segregation, der zum Wandschlupf an benachbarten Wänden führt, mittels einer Funktion der Scherspannung auf Basis des Kiljanski-Modells berücksichtigt. Hochtemperaturrheometer 114

115 Ausgewählte Veröffentlichungen T. Ginsberg, D. Liebig, M. Modigell, B. Sundermann: Multizonal thermochemical modelling of heavy metal transfer in incineration plants, Process Safety and Environmental Protection, 2012, 90(1), M. Czyperek, S. Baumann, H.J. Bouwmeester, W.A. Meulenberg, M. Modigell, J.M. Serra, S. Shishatskiy, I. Voigt, F. Schulze-Küppers: Membrain gas separation membranes for energy-efficient processes original research article, Procedia Engineering, 44 (2012) S. Harboe, M. Modigell: The influence of particle size on viscosity in thixo material, Key Engineering Materials, 2012, , Q. Yan, M. Modigell: Mechanical pretreatment of lignocellulosic biomass using a screw press as an essential step in the biofuel production, In: Petar S. Varbanov; Hon Loong Lam; Jirí J. Klemeš (Eds.), Chemical Engineering Transactions, 29 (2012), Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

116 Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Moormann IFD - Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik Wüllnerstraße Aachen Tel.: / Fax: / offiice@fsd.rwth-aachen.de Forschungsschwerpunkte des Instituts bilden die flugsystemdynamische Auslegung und Bewertung von insbesondere unkonventionellen und unbemannten Luftfahrzeugen: Modellierung der dynamischen Eigenschaften, speziell von unkonventionellen und unbemannten Fluggeräten, mit Hilfe von Handbuchmethoden und Rechenverfahren Modellbildung und Simulation von Flugdynamik und Systemen unter Einbeziehung von Piloten und Operateuren 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, 9 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. 116

117 Ausgewählte laufende Projekte Forschungssimulator Entwicklung eines Forschungssimulators zur Untersuchung von Piloten- Assistenzsystemen sowie für hardware-in-the-loop -Untersuchungen und Einsatzimulation von unbemannten autonomen Fluggeräten. Vorgehensweise Aufbau Festsitzsimulator mit konventionellem und generischem (Glas-) Cockpit Realisierung einer 3D-Außensichtsimulation Verwendung einer Modularen Rechnerstruktur mit frei programmierbarer Dynamik Arbeitsplätze zur Online Überwachung und Versuchsteuerung Aufbau einer modularen Bodenstation zur Simulation der Steuerung und Führung von unbemannten Fluggeräten und integrierten Nutzlasten Auftraggeber internes Forschungsvorhaben Forschungsflugsimulator AVIGLE Avionic Digital Service Platform Entwicklung einer autonomen Flugplattform in Tiltwing Konfiguration Zielsetzung Im Rahmen des vom Land Nordrhein Westfalen und der Europäischen Union geförderten Projektes AVIGLE wird eine unbemannte Flugplattform in Tiltwing Konfiguration entwickelt, die im Schwarmverbund Bilder zum Aufbau von 3D-Objektmodellen erfasst oder ad-hoc Mobilfunkzellen zur Erweiterung der Netzinfrastruktur bereitstellt. Vorgehensweise Entwicklung der unbemannten Tiltwing Flugplattform Integration ausgewählter Sensorik- und Avionikkomponenten sowie versch. Nutzlasten Validierung des Fluggeräteentwurfs anhand von Windkanal- und Freiflugversuchen Aufbau einer Fluggerätesimulation mit sechs Freiheitsgraden in Matlab/Simulink Entwicklung der Steuer- und Regelungsalgorithmen für den autonomen Betrieb Auftraggeber Durch den Förderwettbewerb Hightech.NRW 2 von NRW und EU ausgewähltes und finanziertes Kooperationsprojekt mit insgesamt 10 Partnern aus Forschungseinrichtungen und KMU. Flugdemonstration AVIGLE Kippflügel-Flugzeug GABRIEL - Integrated Ground and On-Board System for Support of Safe Take-Off and Landing Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten und Effektivität von bodengestützter Magnetschwebetechnik bei Start und Landung Zielsetzung Zukünftige Lufttransportsysteme müssen sicherer, umweltverträglicher und effektiver sein als aktuelle Systeme. Ein möglicher Weg dahin ist die Verwendung von bodenbasierter Energie zur Beschleunigung und Abbremsung des startenden bzw. landenden Flugzeuges. Das GABRIEL Projekt untersucht die grundsätzliche Machbarkeit und Effektivität der Verwendung von Magnetschwebe- und antriebstechnik für solch ein System. Durch den dadurch ermöglichten Verzicht auf das Fahrwerk und die Verwendung kleinerer Triebwerke ergibt sich eine signifikante Gewichtsreduzierung und als Folge eine Reduzierung des Treibstoffverbrauches sowie der Schadstoff- und Lärmemissionen. Aufgaben des Institut für Flugsystemdynamik Theoretische Untersuchungen: Modellbildung und Simulation Entwicklung der hochpräzisen Regelungssysteme (Flugzeug-, Bodenund verbindendes Rendezvous-System) Konzept(teil)nachweis mit skaliertem Demonstrator Auftraggeber EU-FP7-Projekt mit Kooperationspartnern aus 12 europäischen Forschungsinstituten und Universitäten. Start-/Landesystem für GABRIEL-Konzept 117

118 Ausgewählte Veröffentlichungen Gäb, Andreas: Real-time parameter estimation for mini aerial vehicles using low-cost hardware. Aachen, Techn. Hochsch., Diss., Ostermann, Tobias; Holsten, Johanna; Dobrev, Yavor; Moormann, Dieter: Control Concept of a Tiltwing UAV During Low Speed Manoeuvring. In: 28th International Congress of the Aeronautical Sciences: ICAS2012, September 2012, Brisbane, Australien; InProceedings, Datenträger. Holsten, Johanna; Ostermann, Tobias; Dobrev, Yavor; Moormann, Dieter: Model Validation of a Tiltwing UAV in Transition Phase Applying Windtunnel Investigations. In: 28th International Congress of the Aeronautical Sciences: ICAS2012, September 2012, Brisbane, Australien; InProceedings, Datenträger. Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

119 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. Die Fachdisziplin umfasst neben dem Maschinenbau auch weitere Bereiche wie Informatik, Regelungstechnik, Elektrotechnik, Tribologie und Chemie. Die interdisziplinären Forschungsaktivitäten sind fünf wissenschaftlichen Gruppen zugeordnet: Tribologie und Fluidanalytik Pumpen- und Motorentechnik Ventiltechnik und Mechatronik System- und Steuerungstechnik Pneumatik 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. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff IFAS - Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen Steinbachstraße 53B Aachen Tel.: / Fax: / post@ifas.rwth-aachen.de 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, 24 wiss. Mitarbeiter/-innen, 22 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. Viele weitere z.t. aufbauende Veranstaltungen, bei denen auch Dozenten aus der Industrie eingebunden sind, werden als Wahlveranstaltungen in fast allen Studienrichtungen angeboten. Interne und externe fluidtechnische Kolloquien sowie das zweijährig stattfindende Internationale Fluidtechnische Kolloquium (IFK) runden das Aus- und Weiterbildungsangebot ab. 119

120 Ausgewählte laufende Projekte Wirkungsgradsteigerung durch Abluftnutzung Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) geförderten Projekts wurde am IFAS eine neuartige Möglichkeit zur Abluftnutzung abluftgedrosselter pneumatischer Antriebe entwickelt und untersucht. Die Pneumatik findet in der Automatisierungstechnik ein breites Anwendungsfeld, da sie sich durch geringe Anschaffungskosten, sehr hohe Robustheit, Prinzip bedingte Überlastsicherheit und einen einfachen Systemaufbau auszeichnet. Zur Erfüllung von Positionier-, Bewegungs-, Greif- und Spannaufgaben werden in den meisten Fällen abluftgedrosselte Antriebe eingesetzt. Mit Hilfe der Abluftdrosselung kann auf sehr einfache Weise durch die Ausnutzung eines Strömungsphänomens in der Abluftdrossel eine nahezu lastunabhängige Geschwindigkeitsvorgabe erzielt werden. Der Ejektor übernimmt die Funktion der Abluftdrossel und ermöglicht es zusätzliche Luft aus der Umgebung einzusaugen und so Luftverluste zu kompensieren. Der Vorteil der vorgestellten Lösung gegenüber anderen Ansätzen zur Abluftnutzung, beispielsweise mit einer Speicherladeschaltung, liegt darin, dass die von der Abluftdrossel gewohnte Bewegungscharakteristik beibehalten werden kann. Darüber hinaus wird keine externe Ansteuerung benötigt, da die Ejektorbaugruppe (Abb. 2) komplett autark arbeitet. Abb. 2: Autark arbeitende Ejektorbaugruppe Ein wesentlicher Nachteil der Abluftdrosselung liegt allerdings darin, dass über die Drossel Energie ungenutzt in die Umgebung abgegeben wird. Dies ist vor dem Hintergrund steigender Energiekosten ein entscheidender Nachteil gegenüber konkurrierender Technologien. Durch die Nutzung der Abluft kann die ansonsten verlorene Energie hingegen weiter genutzt werden, um den Druckluftkompressor zu unterstützen und damit gleichzeitig den Systemwirkungsgrad zu steigern. Unter günstigen Bedingungen lässt sich so eine Energieeinsparung von bis zu 30 % erzielen. Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau eines konventionellen Systems und das gleiche System ausgestattet zur Abluftnutzung. Abb. 1: Konventionelles System und System ausgerüstet zur Abluftnutzung Um die Eignung für den praktischen Einsatz zu belegen, wird die Ejektorbaugruppe in den in Abbildung 3 dargestellten Demonstrator integriert. Dieser repräsentiert ein typisches Einsatzszenario der Pneumatik und dient so als Referenz für den praktischen Einsatz, sodass eine Aussage über das Kosten-Nutzenverhältnis getroffen werden kann. Abb. 3: Demonstrator zur Abluftnutzung 120

121 Untersuchung der elektrostatischen Aufladung von Hydraulikflüssigkeiten In der Hydraulikbranche werden zunehmend zink- und aschefreie Hydrauliköle eingesetzt, die einerseits verbesserte Umwelteigenschaften besitzen und andererseits die erhöhten Ölanforderungen von modernen hydraulischen Komponenten erfüllen. Gegenüber konventionellen Hydraulikflüssigkeiten besitzen diese zink- und aschefreien Flüssigkeiten eine vergleichsweise geringe elektrische Leitfähigkeit. Dadurch können sich elektrische Ladungen ansammeln und zu Spontanentladungen führen. Insbesondere Filterelemente gelten aufgrund ihrer großen Oberfläche als Aufladungsquelle und das Filtervlies kann durch Spontanentladungen zerstört werden. Sind in einem System Spontanentladungen vorhanden, so kann dies durch ein knisterndes Geräusch wahrgenommen werden. Da die für die elektrostatische Aufladung beeinflussenden Faktoren für Hydraulikflüssigkeiten wenig bekannt sind, wurde am IFAS ein Projekt begonnen, bei dem die möglichen Einflussgrößen systematisch untersucht werden. Hierfür wurde ein Prüfstand aufgebaut (siehe Abb.4), bei dem verschiedene ebene Filtervliese untersucht werden können. Zur Messung der Aufladung von Flüssigkeiten wurde ein neuartiges Messprinzip entwickelt, mit dem die quantifizierbare Aufladungsmessung möglich ist. Das innovative Messverfahren nutzt das Prinzip der Ladungsverschiebung auf einer Messelektrode infolge elektrischer Feldeinwirkung. Ziel der Arbeiten ist der Aufbau einer umfangreichen experimentellen Datenbasis, mit der die Abhängigkeiten beschrieben werden können. Die Messdaten werden genutzt, um ein bereits aufgestelltes Aufladungsmodell zu parametrieren. Mit dem Aufladungsmodell kann die Aufladungsneigung eines Systems vorhergesagt werden, womit bereits bei der Systemauslegung die Gefahr erkannt wird und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Abb. 4: Elektrostatik-Prüfstand am IFAS 121

122 Ausgewählte Veröffentlichungen Leonhard, L.; Drumm, S.; Murrenhoff, H.; Lang, J.; Knoll, G.: Simulative analysis of the piston/cylinder interface of common rail injection pumps lubricated by new biofuels, Industrial and automotive lubrication : 18th International Colloquium Tribology, January 2012, Ed.: Wilfried J. Bartz. -Ostfildern -Nebent.: Tribology - industrial and automotive lubrication., ISBN: , , S./Art.: 8 S Kühnlein, M.; Liermann, M.; Ewald, J.; Murrenhoff, H.: Adjustable flow-control valve for the self-energising electro-hydraulic brake, International Journal of Fluid Power. -Hamburg: TuTech Innovation- ISSN: (2012) 2, S./Art.: 5-14 von Grabe, C.; Murrenhoff, H.: Efficiency improvement by air recuperation through the use of ejectors, 8th International Fluid Power Conference (8. IFK); March 26-28, 2012 in Dresden. Dresdener Verein zur Förderung der Fluidtechnik [Hrsg.]. -Dresden: Eigenverlag, Volume 1 - Symposium: Monday, March 26, 2012., S./Art.: Heitzig, S.; Sgro, S.; Theissen, H.: Energy efficiency of hydraulic systems with shared digital pumps, International journal of fluid power. -Hamburg: TuTech Innovation- ISSN: (2012) 3, S./Art.: Berbuer, J.; Schulze Schencking, D. : Radial piston engine with cone valve plates, 8th International Fluid Power Conference (8. IFK); March 26-28, 2012 in Dresden. Dresdener Verein zur Förderung der Fluidtechnik [Hrsg.]. -Dresden: Eigenverlag, Volume 3 - Conference: Wednesday, March 28, 2012., S./Art.: Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

123 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 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. Lehrangebot: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller E.ON EBC Energy Research Center Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik Mathieustr Aachen Tel.: / Fax: / 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, 34 wiss. Mitarbeiter/-innen, 11 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 32 stud. Mitarbeiter/-innen Einbindung regenerativer Energiesysteme Grundoperationen der Energietechnik Energienetze Klimatechnik Regenerative Energien für Gebäude Energiewirtschaft Ringlabor Alternative Energietechnik Über Bachelor- und Masterarbeiten sowie Stellen für studentische Hilfskräfte werden Studierende aktiv in die Forschung eingebunden. 123

124 Ausgewählte laufende Projekte Dual Demand Side Management - 2DSM Die zunehmende Nutzung regenerativer Energien stellt durch die Volatilität und vermehrt dezentrale Eisnpeisung die Versorgungsinfratsruktur vor neue Herausforderungen. Zusätzliche Speicherkapazitäten und flexible Verbraucher sind notwendig. Das Projekt Dual Demand Side Management versucht in enger Kooperation mit dem Institut Automation for Complex Power Systems aus der Fakultät für Elektrotechnik dieses notwendige Potential durch ein doppeltes Lastmanagement zu schaffen. Dieses betrachtet sowohl das einzelne Gebäude als auch das gesamte Stadtquartier und vernetzt die darin enthaltenen Verbraucher miteinander. Die Entwicklung des Konzeptes erfolgt anhand eines multi-physikalischen Simulationsmodells für einen Stadtteil der Innovation City Bottrop. Bottrop hat den vom Initiativkreis Ruhr im Frühjahr 2010 ausgelobten Wettbewerb für die Klimastadt der Zukunft gewonnen. Ein kompletter Stadtbereich Bottrops in einer Größenordnung von rund Einwohnern soll sich in den nächsten zehn Jahren zum Musterquartier für Energie-Effizienz wandeln. Das 2DSM Projekt versucht es mit den anderen Pilotprojekten der Region zu ermöglichen, das Ziel einer CO2 Einsparung von 50 % bis 2020 zu erreichen. Anhand der gekoppelten Betrachtung des thermischen und elektrischen Netzes kann untersucht werden, wie unterschiedliche Gebäude ihren lokalen Energieverbrauch und dezentrale Stromproduktion optimieren, um lokal schwankende Energieerzeugung auszugleichen (z.b. PV + Wind) und z.b. die Produktion einer KWK-Anlage im Kontext des Wärmebedarfs der Region und der Stromerzeugung anderer dezentraler Erzeuger einzubinden ist, um Last- und Erzeugungsspitzen zu vermeiden. Gleichzeitig erfolgt die Abstimmung der kleinen Einheiten mit den Bedürfnissen des übergeordneten Netzes un der Einspeisung größerer Windparks auf Hochspannungsebene. Die entwickelte Simulationsplattform soll zu einer Living Roadmap führen, die als Planungswerkzeug für den nachhaltigen Umbau der Energieversorgung eines Stadtgebietes genutzt werden kann. Konkrete Maßnahmen, wie die Gebäudesanierung einzelner Häuser, der Einbau dezentraler Stromerzeugungs-, Heizungs- und Kälteanlagen in Gebäuden können integriert geplant und dimensioniert werden. Abb. 2: Vision zukünftiger Energienetze Abb. 1: Untersuchungsgebiet des 2DSM Projektes im Pilotgebiet der Modellstadt Bottrop 124

125 Hardware-in-the-Loop (HiL)-Testverfahren für Hausenergiesysteme Zukünftig werden moderne Hausenergiesysteme (HES) wie z.b. elektrische Wärmepumpen und Mikro-KWK Systeme mit innovativen Hausenergiemanagementsystemen (HEMS) im Wohnungsmarkt zunehmend an Relevanz gewinnen. Als zukünftiger Schmelztiegel der verschiedenen Energieformen ist das HES ein Kernelement der Smart-Grid-Technologie. Die Verknüpfungen und die Interaktionen zwischen unterschiedlichen Energiedomänen stellen einen wichtigen Impuls für die Entwicklung intelligenter HEMS dar. Ein bedarfsgerechtes HEMS auf der thermischen Seite als auch auf der elektrischen Seite wird eine der wichtigsten Schlüsseltechnologien sein, den gesamten Energieverbrauch des Gebäudebestandes zu verringern und die Lastprofile auf den Nieder- und Mittelspannungsnetzebenen zu egalisieren. Der HiL-Ansatz bietet die Möglichkeit, reale Komponenten mit Regeleinheiten unter komplexen simulierten Randbedingungen zu testen. Die gemeinsam in Kooperation mit Elektrotechnikern (Institut for Automation of Complex Power Systems) entwickelte Plattform (Bild 3) besteht aus drei Ebenen: die Simulationsebene (Grün), die Emulationsebene (Rot) und die Hardwareebene (Blau). Das HEMS beispielhaft bestehend aus einer Luft-Wasser-Wärmepumpe und einem Speicher wird als Hardware in einer simulierten Umgebung getestet. Die Senke der Wärmepumpe, die durch das Gebäudemodell in Dymola simuliert ist, wird am hydraulischen Prüfstand emuliert. Die Wärmepumpe arbeitet in einem emulierten Außenklima mit Hilfe der klimatisierten Luftkammer. Gleichzeitig wird die elektrische Netzversorgung durch einen Netzemulator bereitgestellt. Die Rechenkapazität wird auf einem Dual-Rechencluster (Bild 4) zur Verfügung gestellt. Der Windows-Cluster mit LabVIEW und Dymola, wo die Mess- und Regelfunktionen der Emulationsebene, sowie die Gebäudesimulation ausgeführt werden, arbeitet mit einer Abtastzeit von einer Sekunde. Die elektrischen Simulationen, die einen Zeitschritt von Millisekunden fordern, laufen auf dem hartechtzeitfähigem Linux-Cluster. Die Mess- und Simulationsdaten werden durch das Ethernet zwischen den zwei Clustern synchronisiert. Abb. 4: Die innovative Dual-Rechenstruktur der HiL-Testplattform Abb. 3: Der Aufbau der HiL-Testplattform am Beispiel eines Luft-Wasser- Wärmepumpensystems 125

126 Ausgewählte Veröffentlichungen Molitor, Christoph; Benigni, Andrea; Helmedag, Alexander; Chen, Kan; Calì, Davide; Jahangiri, Pooyan; Antonello, Monti; Müller, Dirk: Multi-Physics Test Bed for Renewable Energy Systems in Smart Homes, In: IEEE transactions on industrial electronics. -New York, NY: IEEE- ISSN: , (2012), 3, S./Art.: Flieger, Björn; Streblow, Rita; Müller, Dirk: Thermisches Pkw Innenraummodell, In: Wärmemanagement des Kraftfahrzeugs VIII / Hrsg. Peter Steinberg. -Renningen: expert Verl., ISBN: , S./Art.: Huchtemann, Kristian; Müller, Dirk: Evaluation of a Field Test with Retrofit Heat Pumps, In: Building and environment. -Oxford [u.a.]: Pergamon Pr.- ISSN: (2012), S./Art.: Huber, Max; Constantin, Ana; Müller, Dirk: Software-in-the-loop method for optimizing the control strategy of a façade ventilation unit, In: Xe conference internationale sur la ventilation industrielle = 10th International Conference on Industrial Ventilation ; Paris, 2012, 17/18/19 Sept. / organised by the Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS).: Ventilation, Stinner, Sebastian; Müller, Dirk: Thermal Simulation of Power-Controlled Micro-CHP Systems for Residential Buildings, In: Proceedings of the 9th International MODELICA Conference ; September 3-5, 2012 Munich, Germany / eds.: Martin Otter and Dirk Zimmer. Org. by Modelica Association and German Aerospace Center (DLR). -Linköping, (Linköping Electronic Conference Proceedings ; 76).- ISBN: ISSN: , Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

127 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. Angewandte Messverfahren: 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 N. N. LTFD - Lehr- und Forschungsgebiet Laser-Messverfahren in der Thermofluiddynamik Schinkelstr Aachen Tel.: / Fax: / sekretariat@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 127

128 Ausgewählte laufende Projekte Sonderforschungbereich SFB 686 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. 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 CAI- Motor (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. Cluster of Excellence: Tailor-Made Fuels from Biomass Das LTFD ist des Weiteren Bestandteil des Exzellenzclusters Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse, dessen Schwerpunkt die Erforschung von neuen synthetischen Kraftstoffen aus Biomasse ist. Ein Ziel dabei ist das Verständnis für die Verdampfung und Gemischbildung von alternativen Kraftstoffen, insbesondere von neuartigen Kraftstoffgemischen (sogenannte Blends) zu verbessern. Zu diesem Zweck führt das LTFD umfangreiche (laser-) optische Untersuchungen durch. Die dadurch gewonnen Erkenntnisse dienen der Erklärung des motorischen Emissionsverhaltens der neuen Kraftstoffe, sowie der Entwicklung und Validierung neuer Simulationsmodelle innerhalb des Exzellenzclusters. Dem LTFD stehen dazu verschiedene Versuchsträger wie optisch zugängliche Hochtemperaturkammern und von Kooperationspartnern innerhalb des Exzellenzclusters entwickelte optische Motoren zur Verfügung. Neben den photophysikalischen Grundlagen wird an einer Auswahl potentieller neuer Kraftstoffe die dieselmotorische Verbrennung sowie Rußbildung untersucht. Außerdem wird die Entmischung von Diesel-Sprays aus neuen Kraftstoffen detailliert untersucht. Die dazu eingesetzten Messtechniken sind unter anderem Flammeneigenleuchten, OH*-Chemilumineszenz, LIF und spontane Ramanstreuung Rußeigenleuchten von der Verbrennung verschiedener Kraftstoffe unter dieselähnlichen Bedingungen Entflammung und Flammenausbreitung im CAI-Motor 128

129 Ausgewählte Veröffentlichungen Jakob, M.; Hülser, T.; Janssen, A.; Adomeit, P.; Pischinger, S.; Grünefeld, G.: Simultaneous High-Speed Visualization of Soot Luminosity and OH* Chemiluminescence of Alternative-Fuel Combustion in a HSDI Diesel Engine under Realistic Operating Conditions, Combustion and Flame, 2012, 159, Berrocal, E.; Kristensson, E.; Hottenbach, P.; Alden, M.; Grünefeld, G: Quantitative Imaging of a Non-Combusting Diesel Spray Using Structured Laser Illumination Planar Imaging, Appl. Phys. B, 2012, 109, Brands, T.; Hottenbach, P.; Koss, H.-J.; Grünefeld, G.; Pischinger, S.; Adomeit, P.: Quantitative Fuel-Air-Mixing Measurements in Diesel-Like Sprays Emanating from Convergent and Divergent Multi-Layer Nozzles, SAE Technical Paper, 2012, Brands, T.; Hottenbach, P.; Koss, H.-J.; Grünefeld, G.; Pischinger, S.; Adomeit, P.: Quantitative Fuel-Air-Mixing Measurements in Diesel-Like Sprays Emanating from Convergent and Divergent Multi-Layer Nozzles, SAE International Journal of Engines, 5, 2012»» Hülser, T.;Jakob, M.; Janssen, A.; Drumm, S.; Heitzig, S.; Grünefeld, G.; Pischinger, S.; Murrenhoff, M.: From Injection to Combustion, an Overview of the Tribolgical and Combustion Behaviors of Tailor-Made Fuels, 5th TMFB International Workshop 2012,

130 Aachener Verfahrenstechnik Thermische Verfahrenstechnik Forschungsschwerpunkte N. N. (kommissarische Leitung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Antje C. Spiess) AVT.TVT - Aachener Verfahrenstechnik - Thermische Verfahrenstechnik Wüllnerstraße Aachen Tel.: / Fax: / secretary.tvt@avt.rwth-aachen.de Studienrichtungen Verfahrenstechnik, Umweltingenieurwesen, Biotechnologie Schwerpunkte Thermische Trennverfahren, insbesondere Extraktion, Destillation und Flüssig-Flüssig-Trennung sowie Untersuchungen zu Stofftransport, auch über Phasengrenzen, Entwicklung thermodynamischer Modelle, Molekulare Simulationen, Globale Bilanzen Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 8 wiss. Mitarbeiter/-innen, 4 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 15 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 CFD- Simulation Simulation von Stofftransport an Phasengrenzen Gleichgewichtsthermodynamik: Entwicklung thermodynamischer Modelle ausgeprägt nichtidealer Mehrstoffgemische Ziel der Forschungsaktivitäten der AVT-Thermische Verfahrenstechnik ist es, neben der ingenieurmäßigen Beschreibung der Apparate und Verfahren auch einen konzeptionellen Brückenschlag zwischen den Größenskalen bei der Modellierung zu erreichen, so dass Modelle auf einer Skala Wissen und Erkenntnisse zu der jeweils niedrigeren Skala sinnvoll mit umfassen. Nur so können Modelle entwickelt werden, die Praxistauglichkeit mit ausreichender Vorhersagekraft verbinden. Die Projekte werden von unterschiedlichen sowohl größeren als auch mittelständischen Firmen der chemischen Industrie und des Apparatebaus sowie von Firmenverbünden gefördert. Darüber hinaus ist der Lehrstuhl mit verschiedenen Projekten am Exzellenzcluster Tailor-Made Fuel from Biomass (TMFB) beteiligt. 130

131 Ausgewählte laufende Projekte Auslegung von Extraktionsprozessen Vom Tropfen zur Kolonne 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. Abb. 1: Ausschnitt einer Exraktionskolonne im Betrieb Bewertung von biobasierten Syntheserouten mithilfe von Exergiebilanzen Die organische chemische Industrie basiert heute fast ausschließlich auf erdölbasierten Rohstoffen. In den letzten Jahren wird verstärkt die Nutzung alternativer Kohlenstoffquellen wie Biomasse oder CO2 erforscht. Auf Basis dieser neuen Rohstoffe, deren Stoffeigenschaften sich teilweise deutlich von fossilen Rohstoffen unterscheiden, müssen neue Syntheserouten und anschließende Trennverfahren systematisch neu entwickelt werden. In der Literatur werden aktuell verschiedene Ansätze zur stofflichen Nutzung von Biomasse diskutiert, die sich größtenteils noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden. Es wird deshalb eine Möglichkeit benötigt, diese Ansätze mit den wenigen vorliegenden Informationen quantitativ miteinander zu vergleichen und diejenigen zu identifizieren, die das größte Potenzial versprechen. Relativ einfache Kombinationen aus Exergie- und Stoffbilanzen bieten dazu eine thermodynamisch fundierte Basis. Entwicklung einer Technologieplattform zur Extraktion von funktionellen Monomerbausteine, mit Fokus auf biokompatible Verfahren Funktionelle Monomere basieren heute immer noch im Wesentlichen auf petrochemischen Rohstoffen, aus denen sie mit mehrstufigen Prozessen hergestellt werden. Biobasierte und biotechnologisch hergestellte Monomere sind dagegen häufig nicht wettbewerbsfähig. Ziel dieses Projektes ist daher die Entwicklung eines entsprechenden ressourceneffizienten Produktions- und Aufarbeitungsprozesses ausgehend von biogenen Rohstoffen. ReDrop kann erfolgreich das Verhalten von pulsierten physikalischen Extraktionskolonnen im Technikumsmaßstab vorhersagen. Grundidee des Programms ist es, einzelne Tropfen auf ihrem Weg durch eine Extraktionskolonne zu verfolgen und alle Effekte zu berücksichtigen, die auf diese einwirken. Diese Effekte werden in maßgeschneiderten Labor-Apparaten untersucht, um anschließend die stoffspezifischen Parameter physikalisch fundierter Modelle an die Messdaten anpassen zu können. ReDrop kann bereits erfolgreich Trenneigenschaften und Betriebsgrenzen von pulsierten und gerührten Kolonnen vorhersagen. Die durchgeführten Validierungsuntersuchungen wurden bisher hauptsächlich für saubere Standardtestsysteme durchgeführt. Letztendlich ist es allerdings das Ziel, dass die beschriebene Methode in der Industrie zur Auslegung von Kolonnen mit technisch relevanten Stoffsystemen Anwendung findet. Daher wurde in Kooperation mit der BASF SE ein erster Feldversuch unternommen und das ReDrop-Konzept an einem realen, industriellen System erprobt und mit Ergebnissen aus durchgeführten Kolonnenversuchen abgeglichen. Um die Vielzahl der dabei auftretenden Varianten möglicher Prozesse systematisch behandeln zu können, wurde ein kaskadierter Optionsbaum als eine neue Designstrategie komplexer Prozesse verwendet. Mit diesem Optionsbaum gelingt es, die jeweils relevantesten Herausforderungen und Probleme der Alternativen zu identifizieren, die dann mit geeigneten Methoden behandelt werden können. An der AVT.TVT werden zudem Voruntersuchungen und Experimente zur Aufarbeitung der Zwischen- und Endströme durchgeführt, beispielsweise mit Extraktion oder Reaktivextraktion, mit Fokus auf die Biokompatibilität des Prozesses. Die Ergebnisse zeigen, dass die Simulation von Extraktionskolonnen mit ReDrop auf Basis von Einzeltropfenuntersuchungen auch auf industrielle Systeme anwendbar ist. Es hat sich gezeigt, dass in Zukunft weitere Feldstudien in Kooperation mit der Industrie an realen Systemen durchgeführt werden sollten, um mehr Sicherheit bzgl. der Belastbarkeit dieser Auslegungsmethodik zu erlangen. Des Weiteren wurde ReDrop sowohl für die Reaktivextraktion als auch Extraktionskolonnen mit gerührten Einbauten (Kühni- und RDC-Geometrie) erweitert und erfolgreich validiert. Zusätzlich wurde auf Basis von Einzeltropfenexperimenten der Einfluss hoher Viskosität auf die Extraktion in Kolonnen detailliert untersucht. 131

132 Ausgewählte Veröffentlichungen Philipp Frenzel, Sara Fayyaz, Rafaela Hillerbrand, Andreas Pfennig: Biomass as Feedstock in the Chemical Industry An Examination from an Exergetic Point of View. Chemical Engineering & Technology, 2013, 36(2), 1-9 Florian Buchbender, Ferdy Onink, Wytze Meindersma, André de Haan, Andreas Pfennig: Simulation of Aromatics Extraction with an Ionic Liquid in a Pilot-Plant Kühni Extractor Based on Single-Drop Experiments. Chemical Engineering Science, 2012, 82, Florian Buchbender, Markus Schmidt, Tilmann Steinmetz, Andreas Pfennig: Simulation von Extraktionskolonnen in der industriellen Praxis. Chemie Ingenieur Technik, 2012, 84(4), Nicole Kopriwa, Claudia Reitinger, Hanna Penner, Leona Piana, Matthias Dumke, Sara Fayyaz, Rafaela Hillerbrand, Andreas Pfennig: Integration sozialer Aspekte bei der Bewertung von Prozessen auf Basis erneuerbarer Energien. In: Michael Decker; Armin Grunwald; Martin Knapp (Eds.): Systemblick auf Innovation - Technikfolgenabschätzung in der Technikgestaltung, Berlin: edition sigma 2012, ISBN ; S Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

133 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: Druck-, Kraft- und Momentenmessung PIV-Verfahren Schatten- und Schlierenoptik Hitzdrahtanemometrie schnelle Wärmestromsensoren wie Thermoelemente und Dünnfilmsonden (Anstiegszeit 1 Mikrosekunde) Infrarotthermographie Zur numerischen Simulation stationärer wie auch instationärer Strömungsvorgänge werden verschiedene Methoden wie Differenzenverfahren hoher Ordnung zur DNS und Reynolds-gemittelte Navier-Stokes Verfahren zur Berechnung nichtreaktiver und reaktiver Strömungen im thermischen und chemischen Nichtgleichgewicht eingesetzt. Vorlesungen umfassen die Fächer Gasdynamik, Gasdynamik realer Gase, Stoßwellen und Kurzzeitströmungsmesstechnik. Auslandskontakte: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert Olivier SWL - Lehr- und Forschungsgebiet Hochtemperatur-Gasdynamik Stoßwellenlabor Schurzelterstraße Aachen Tel.: / Fax: / sekretariat@swl.rwth-aachen.de Studienrichtungen Luft- und Raumfahrttechnik Schwerpunkte Gasdynamik, Hochtemperatur-Gasdynamik, Hyperschall-Aerothermodynamik, Stoßwellen und Stoßwellenanwndungen, Transschall- und Überschallströmungen, reaktive Strömungen Personal 2 Professoren, 0 Obering./-innen, 8 wiss. Mitarbeiter/-innen, 6 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, stud. Mitarbeiter/-innen Université de Provence, Marseille University of New South Wales, Australien University of Queensland, Australien Tohoku University, Japan Chinese Academy of Sciences, Peking Russian Academy of Sciences Moskau ITAM Russian Academy of Sciences, Novosibirsk 133

134 Ausgewählte laufende Projekte Einfluss einer erhöhten Wandtemperatur auf die Außen- und Innenverdichtung eines Scramjet-Triebwerks 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. 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. Untersuchungen zur Herstellung von Nanopartikeln in einer Pilotanlage unter Ausnutzung gasdynamisch initiierter Prozesse 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. Instationäre Wellenprozesse bei der Profilumströmung im Transschall Bei der Umströmung typischer Tragflügelprofile im unteren Transschallbereich, d.h. für Machzahlen zwischen 0,7 und 0,9, treten bei höheren Reynoldszahlen Wirbelstrukturen in der Grenzschicht auf, die an der Profilhinterkante abschwimmen und mit dem Nachlaufgebiet des Profils interagieren. Diese Wirbel bewirken auf deren Oberseite eine lokale Beschleunigung der Strömung bis in den Überschall hin. Die anschließende Verzögerung der Strömung wird ähnlich wie am Profil durch eine schwache Druckwelle eingeleitet, die in Hinterkantennähe von dem jeweiligen Wirbel entkoppelt. Die stromauf laufenden Druckwellen steilen sich zur Profilmitte hin auf, um sich dann zur Profilnase hin wieder abzuschwächen. Dieses Phänomen stromauf laufender Druckwellen und deren Wechselwirkung mit der Tragflügelumströmung wird am Stoßwellenlabor sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Von besonderem Interesse sind dabei die Fragen, ob diese Wellen Einfluss haben auf den Grenzschichtcharakter und die Transition vom laminaren zum turbulenten Zustand, da dies den Reibungswiderstand und damit den Treibstoffverbrauch moderner Verkehrsflugzeuge mitbestimmt, und ob diese Wellen zur gezielten Beeinflussung der Profilumströmung und der Stoßabschwächung genutzt werden können. 134

135 Ausgewählte Veröffentlichungen Lee C, Vranckx S, Heufer KA, Khomik SV, Uygun Y, Olivier H, Fernandes RX (2012): On the chemical kinetics of ethanol oxidation: Shock tube, rapid compression machine and detailed modeling study. Zeitschrift für Physikalische Chemie 226: 1-27 Hermes V, Klioutchnikov I, Olivier H (2012): Linear stability of WENO schemes coupled with explicit Runge-Kutta schemes. Int. J. Numer. Meth. Fluids 69: Khomik SV, Veyssiere B, Medvedev SP, Montassier V, Olivier H (2012): Limits and mechanism of detonation re-initiation behind a multi-orifice plate. Shock Waves 22 (3), Neuenhahn T, Olivier H (2012): Laminar incipient separation in supersonic and hypersonic flows. Int. J. of Aerodynamics 2 (2/3/4): Weiss A, Olivier H (2012): Behaviour of a shock train under the influence boundary-layer suction by a normal slot. Experiments in Fluids 52 (2): Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

136 Lehr- und Forschungsgebiet Raumfahrtantriebe Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Michael Oschwald Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen Lehr- und Forschungsgebiet Raumfahrtantriebe Templergraben Aachen Verbrennnungsstabilität Treibstoffaufbereitung Wärmetransport Zündung und Triebwerkstransienten Strukturanalyse, Lebensdauervorhersage Antriebstechnologien Tel.: Fax: Studienrichtungen Luft- und Raumfahrttechnik Schwerpunkte Physikalische und technische Grundlagen der Raumfahrtantriebe Chemische Antriebe Grundlagen der Verbrennung, Treibstoffe, Düsenexpansion Leistungsbewertung Flüssigantriebe und Motor-Komponenten (Brennkammern, Düsen, etc.) Brennkammerprozesse (Treibstoffaufbereitung, Verbrennung, Kühlung) Triebwerkszyklen Booster, Hauptstufen, Oberstufen, Kleintriebwerke Testanlagen für Raumfahrtantriebe Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 0 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 0 stud. Mitarbeiter/-innen 136

137 Ausgewählte laufende Projekte Verbrennungsinstabilitäten in Raketenbrennkammern Brennkammer B zur Untersuchung des axialen Verlaufs des Wärmeflusses in Raketenbrennkammern CFD-Simulation der Strömung in einer Dual-Bell-Düse Analyse des Schadensverhaltens thermisch hoch belasteter Materialien Wärmetransport in Raketenbrennkammern Transiente Strömungen Strömung in Expansionsdüsen Prüfstand P8 für Untersuchungen von Forschungsbrennkammern bei Drücken bis 300 bar beim DLR Lampoldshausen Prüfstand M3.5 zur Untersuchung des Verhaltens transienter Strömungen beim DLR Lampoldshausen 137

138 Ausgewählte Veröffentlichungen F. Grisch, L. Vingert, P. Grenard, V. Fabelinsky,K. Vereschagin, M. Oschwald: CARS Measurements at High Pressure in a CH4/O2 Jet Flame, Progress in Propulsion Physics, Vol.4, L.T. DeLuca, C. Bonnal, O. Haidn, S.M. Frolov (Eds.), pp , Torus Press, 2012»» J. Hardi, M. Oschwald. B. Dally : «Acoustic characterisation of a rectangular rocket combustor with liquid oxygen and hydrogen propellants», Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering published online 2, March 2012, DOI: / M. Sliphorst, B. Knapp, S. Gröning, M. Oschwald: Combustion Instability Coupling Mechanisms between LOx/CH4 Spray Flames and Acoustics, Journal of Propulsion and Power, 2012, Vol.28: , /

139 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 Aachen Tel.: / Fax: / secretary@ltt.rwth-aachen.de Studienrichtungen Energietechnik, Fahrzeugtechnik und Transport Schwerpunkte Verbrennungsmotoren Personal 1 Professor, 3 Obering./-innen, 65 wiss. Mitarbeiter/-innen, 80 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 85 stud. Mitarbeiter/-innen 139

140 Ausgewählte laufende Projekte BREEZE Der Projektname steht für Brennstoffzellen-Range-Extender für Elektrofahrzeuge: Zero Emission!. Innerhalb dieses Projekts wird gemeinsam mit Forschungs- und Industriepartnern ein Brennstoffzellen-Range-Extender- Modul (BZ-REM) von der Bipolarplatte bis zum Zellstapel entwickelt. Am Ende des Entwicklungsprozesses steht die Fahrzeugintegration in ein Fahrzeug der Subkompaktklasse. Beteiligt sind an dem Projekt neben dem VKA, die FEV GmbH, Graebener Maschinentechnik und das Zentrum für Brennstoffzellentechnik aus Duisburg. Das VKA bringt sich in dieses Projekt mit der Entwicklung der Subsysteme wie dem Kühlsystem, der Anoden- und der Kathodenversorgung ein. Zur Realisierung der Kathodenversorgung wird innerhalb des Projekts ein elektrischer Radialverdichter entwickelt. Außerdem ist die Entwicklung der Endplatten zur Verspannung des Zellstapels Aufgabe des VKA. Um ein möglichst kompaktes BZ-REM für den in dieser Fahrzeugklasse stark eingeschränkten Bauraum realisieren zu können, werden die Nebenaggregate, Aktoren und Sensoren in die Endplatten integriert. Dies stellt eine wesentliche Innovation gegenüber bekannten Brennstoffzellensystemen aus der Automobilindustrie dar. In allen Enwicklungsschritten in diesem Projekt kommt der Werkstoff- und Beschichtungsauswahl eine große Bedeutung zu. Ionenaustrag oder Korrosion kann z.b. zur Schädigungen an der Membran führen Abb. 1: Brennstoffzellen-Range-Extender-Modul Diesel-Wasser-Mikroemulsionen Im Projekt Systematische Untersuchung und Bewertung der Anwendbarkeit von Diesel-Wasser Mikroemulsionen in schnelllaufenden Großdieselmotoren für Bahn- und Marineanwendungen wurden Emulsionskraftstoffe aus Diesel und Wasser hinsichtlich ihrer Verbrennungseigenschaften untersucht. Die Einbringung von Wasser in den Brennraum ermöglicht durch absenken der Spitzentemperatur eine Senkung der NOx Emissionen. Im Falle einer Mikroemulsion können durch veränderte Gemischbildung gleichzeitig Rußemissionen gesenkt werden. Um ein Entmischen der Emulsion zu verhindern ist ein biphiles Medium (Tensid) nötig, das Diesel und Wasser zu einer beständigen Emulsion verbindet. Durch den Einsatz großer Mengen spezieller Tenside sind die hier verwendeten Mikroemulsionen in weiten Temperatur und Druckbereichen stabil. Es wurden Mikroemulsionen mit einem Wassergehalt von 8 bis 24% eingesetzt. Da wasserhaltige Kraftstoffe ein erhöhtes Risiko für das Einspritzsystem darstellen, wurden zunächst Komponentenversuche durchgeführt. Hierbei zeigte sich das Pilotventil der Magnetventilinjektoren als besonders gefährdet(abb. 2 oben rechts). In den folgenden Versuchen in der optisch zugänglichen Hochdruckkammer konnte unter motornahen Randbedingungen gezeigt werden, dass mit dem Wassergehalt das Verhalten in den frühen Zünd- und Verbrennungsphasen deutlich variiert. Eine signifikante Abmilderung des Ruß-NOx-Trade-Offs konnte am Einzylindermotor schon mit niedrigen Wassergehalten erreicht werden. Es wurde deutlich, dass mit steigender Motorlast auch der optimale Wassergehalt steigt (siehe Abb. 2). Abb. 2: Links: Ruß-NOx-Trade-Off im Lastpunkt n =1600 min-1, pmi = 12.8 bar ; rechts: Pilotventil mit Kavitationsschaden 140

141 Erweiterte Turbinenkennfeldmessung II Aufladung in Kombination mit Direkteinspritzung und variablen Ventiltriebsteuerzeiten ist der dominierende Trend bei aktuellen Ottomotorkonzepten, um hohe spezifische Leistung bei gleichzeitig niedrigen Verbrauchswerten und Schadstoffemissionen zu erreichen. In diesem Zusammenhang führt die Trennung der Vorauslassstöße zu Vorteilen im Trade-Off zwischen hohen spezifischen Leistungen und gleichzeitig überzeugendem Drehmoment bei einer niedrigen Eckdrehzahl. Um diese Trennung zu ermöglichen, werden für 4-Zylinder Motoren unterschiedliche Technologien wie zweiflutige Turbinen oder variable Auslassventilevents verwendet. Der Schwerpunkt des FVV-Forschungsvorhabens Erweiterte Turbinenkennfeldmessung II liegt auf der Analyse und Modellierung der zweiflutigen Turbine im motorrelevanten Betriebsbereich. Erstmals können alle im Motorzyklus auftretenden Strömungszustände mit gemessenen Kennkennfeldern beschrieben werden (vgl. Abbildung 3). Neben der Vermessungen auf dem Brennkammerprüfstand und der darauf aufbauenden Entwicklung einer kennfeldbasierten Modellierung der Turbine in Motorprozessrechnungen wird eine Doppelstromvolute ausgelegt. Diese wird mit der in Serie befindlichen Zwillingsstromturbine verglichen. Abb. 3: Betriebsbereich der zweiflutigen Turbine im Motorzyklus 141

142 Ausgewählte Veröffentlichungen Rezaei, R., Pischinger, S., Ewald, J., Adomeit, P.: Numerical investigation of the efffect of swirl flow in-homogeneity and stability on Diesel engine combustion and emissions, International Journal of Engine Research, Volume 13, Issue 5, ISSN , pp , 2012 Hinkelbein, J., Lamping, M., Körfer, T., Kremer, F., Schaub, J., Pischinger, S.,: Experimental realisation of predefined diesel combustion processes using advanced closed loop combustion control and injection rate shaping, International Journal of Engine Research, eissn , ISSN , Vol. 13, No. 6, pp , 12/2012 Awarke, A., Pischinger, S., Wittler, M., Bockstette, J.: A 3D mesoscale electro mechanical model of the collector electrode interface in Li-ion batteries with damage consideration Journal of Electrochemical Society, Nr. 159, Ausgabe 6, , pp. A798 - A808, 04/2012 Jakob, M., Hülser, T., Janssen, A., Adomeit, P., Pischinger, S., Grünefeld, G.: Simultaneous High-Speed Visualization of Soot Luminosity and OH* Chemiluminescence of Alternative Fuel Combustion in a HSDI Diesel Engine under Realistic Operating Conditions, Elsevier Journal Combustion and Flame, Volume 159, Issue 7, ISSN , pp , 2012 Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

143 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 regelungstechnische Aspekte hinzugekommen. Ein weiterer Schwerpunkt besteht bei Tailor-made fuels from biomass im Rahmen des gleichnamigen Exzellenz-Clusters. Am Institut werden Dieselmotoren betrieben und Messungen an verschiedenen Strömungsreaktoren, Hochdruck-Verbrennungskammern und offenen Flammen durchgeführt. Für numerische Simulationen stehen hauseigene Codes für direkte numerische Simulation (DNS), Large Eddy Simulation (LES), Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) und 1-D Flammensimulationen zur Verfügung. Experimentelle und numerische Untersuchungen: Experimente werden unter Verwendung von laseroptischen Methoden, schlieren- und schattenoptischen Verfahren, Particle Image Velocimetry (PIV), Rayleigh-Spektroskopie, Gaschromatographie und Massenspektroskopie durchgeführt. Anwendungen in Motorexperimenten, Regelung dieselmotorischer Verbrennung, Dual-Fuel Konzept, Rußbildung, experimentellen Untersuchungen der Strahlausbreitung und Gemischbildung von Hochdruckeinspritzsystemen, Kinetikexperimenten, Bestimmung von Brenngeschwindigkeiten und Zündverzugszeiten. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Heinz Pitsch ITV - Institut für Technische Verbrennung Templergraben Aachen Tel.: / Fax: / office@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, 28 wiss. Mitarbeiter/-innen, 10 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 25 stud. Mitarbeiter/-innen Theorie und Simulation: LES turbulenter Verbrennung, Schadstoffbildung, Primärzerfall in Mehrphasenströmung, Sprayverbrennung, Entwicklung und Reduktion von Reaktionsmechanismen, Simulation der otto- und dieselmotorischen Verbrennung, von Industrie- und Haushaltsbrennern sowie der Gasturbinenverbrennung, quantenchemische und Monte-Carlo Simulationen von elektrokatalytischen Vorgängen und Mehrskalenmodellierung in Brennstoffzellen. 143

144 Ausgewählte laufende Projekte Large-Eddy Simulation und Modellierung des skalaren turbulenten/ nicht-turbulenten Interface In diesem Projekt wird das skalare Interface zwischen turbulenten und nicht turbulenten (T/NT) Regionen am Beispiel eines runden Freistrahls untersucht. Im Fokus stehen sowohl das grundlegende Verständnis sowie die Güte von Feinstruktur-Modellen in Large-Eddy Simulationen (LES). Dazu werden Ergebnisse mehrerer LES (Abb. 1) mit verschiedener Gittergröße eines nichtreaktiven, turbulenten Freistrahls mit experimentellen Daten der gleichen Konfiguration verglichen. Die turbulente Region (T) im inneren des Jets und die nicht-turbulente Region (NT) außerhalb des Jets sind durch die dünne Schicht des T/NT Interface getrennt. Dieses Interface hat im Zusammenhang mit der Verbrennung eines nicht-vorgemischten Systems große Bedeutung, da die Verbrennung in einer dünnen Schicht um den stöchiometrischen Mischungsbruch stattfindet. Aufgrund der typischerweise sehr niedrigen Werte des stöchiometrischen Mischungsbruchs findet die Verbrennung in einer Freistrahlflamme am äußeren Rand des Treibstoffjets statt, welcher durch das T/NT Interface charakterisiert wird. Anhand der experimentellen Daten wurde gezeigt, dass die Interfacedicke mit der Taylorlänge skaliert. Weiterhin wurden die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (pdf) des Mischungsbruchs an verschiedenen axialen und radialen Positionen aus den LES Ergebnissen und den experimentellen Daten ausgewertet (Abb. 2). Die Ergebnisse der LES zeigen im Allgemeinen gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Insbesondere in Strömungsregionen, in denen der Einfluss des T/NT Interface groß ist, treten jedoch Unterschiede zwischen Simulation und Experiment auf. Darüber hinaus werden Statistiken des Interface untersucht und es wird eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen der fein aufgelösten LES und den experimentellen Daten für die pdf der Position des Interface ermittelt. Die gröber aufgelöste LES zeigt deutliche Abweichung zu den experimentellen Werten für die pdf der Position des Interface. Dies zeigt, dass hier Modellierungsbedarf besteht. Als letzte Größe wird der Verlauf des Mischungsbruchs über das T/NT Interface von LES und Experiment verglichen. Im Experiment zeigt sich ein scharfer Übergang zwischen diesen beiden Zonen. Die Ergebnisse beider LES zeigen einen weniger scharfen Verlauf und der Übergang wird in radialer Richtung zur nicht turbulenten Zone verwischt. Mit Hilfe dieser Ergebnisse werden neue Annahmen für zukünftige Modelle entwickelt und validiert, um verbesserte Simulationsergebnisse im Übergangsbereich zwischen turbulenten und nicht turbulenten Regionen zu erzielen. Abb. 1: Darstellung des Mischungsbruchs und des T/NT Interface aus LES Abb. 2: Vergleich des Verlaufs des konditionierten Mischungsbruchs über das T/NT Interface aus LES mit verschiedener Auflösung und Experiment 144

145 MILD-Verbrennung Eine Zukunftstechnologie für Gasturbinen Verbrennungsprozesse unter sehr mageren Bedingungen oder hohen Abgasrückführraten bei gleichzeitiger Vorwärmung der Frischluft führen zu einer signifikanten Reduktion der Spitzentemperaturen innerhalb der Brennkammer und somit stark reduzierten NOx-Emissionen bei gleichzeitig minimalen CO-Emissionen. Unterschiedliche Technologien beruhend auf diesem Verbrennungskonzept sind bereits entwickelt worden, so z.b. Flameless Oxidation (FLOX) und Moderate and Intense Low oxygen Dilution combustion (MILD). Diese Brennverfahren werden schon seit einigen Jahren in Feuerungssystem unter Atmosphärendruck erfolgreich angewandt und tragen dort zu einem erheblich verminderten Ausstoß von Stickoxiden und Kohlenstoffmonoxid bei. Aufgrund von zukünftig verschärften Abgasgrenzwerten für Gasturbinen gilt das MILD-Konzept als vielversprechende Technologie zur Emissionsreduktion. Die Applikation der MILD-Verbrennung in Gasturbinen ist wesentlich komplexer als in Feuerungssystemen. In Gasturbinen werden aus Effizienzgründen sehr hohe Temperaturen benötigt, die zu einer steigenden Reaktivität des Kraftstoffs und damit zu einem verkürzten Zeitintervall für den Mischungsprozess von Frischluft, Kraftstoff und Abgas führen. Des Weiteren kann es beim transienten Betrieb von Gasturbinen, wie er aufgrund der Anforderung flexibler Energiebereitstellung immer häufiger benötigt wird, zum Auftreten von Instabilitäten der MILD-Verbrennung kommen Um diesen Herausforderungen begegnen zu können, sind detaillierte Kenntnisse über den Einfluss variierender Versuchsbedingungen auf das MILD-Verbrennungskonzept von entscheidender Bedeutung. Daher wurde im vergangenen Jahr im Rahmen des SFB 686 eine Brennkammer zur Untersuchung der MILD-Verbrennung unter Gasturbinenbedingungen entwickelt und in Betrieb genommen (Abb. 3). Die Brennkammer ist für typische Gasturbinendrücke von über 20 bar ausgelegt. Ein Rekuperator unterhalb der Brennkammer erlaubt die Aufheizung der in die Brennkammer eintretenden Gase auf Turbinenbrennkammereinlasstemperaturen von C. Erste Ergebnisse zeigen das Potential der MILD-Verbrennung in Bezug auf niedrige CO und NOx-Emissionen (Abb. 4). In dieser Versuchsreihe ist das Kraftstoff-Luftverhältnis variiert worden, während die Brennkammereinlasstemperatur bei 600 C und der Druck bei 1 bar konstant gehalten wurden. Hohe NOx Emissionen treten bei stöchiometrischen, hohe CO-Emissionen bei sehr mageren Gemischen auf. Dagegen ist der Bereich von ф= durch sehr niedrige CO- und NOx-Emissionen gekennzeichnet und somit ein potentieller Bereich für Gasturbinenbetriebspunkte. Zukünftig werden die Effekte höheren Drucks und die Mischungsprozesse in der Kammer mittels optischer Messtechnik detailliert untersucht. Abb. 3: Querschnitt der MILD-Brennkammer am ITV Abb. 4: CO- und NOx-Emissionen in Abhängigkeit vom Kraftstoff-Luftverhältnis 145

146 Ausgewählte Veröffentlichungen Knudsen, E.; Richardson, E. S.; Doran, E. M.; Pitsch, H.; Chen, J. H.: Modeling scalar dissipation and scalar variance in large eddy simulation: Algebraic and transport equation closures In: Physics of fluids, 24, , Bisetti, F.; Blanquart, G; Mueller, M. E.; Pitsch,H.: On the formation and early evolution of soot in turbulent nonpremixed flames In: Combustion and flame, 159, , Peters, Norbert: Turbulence statistics along gradient trajectories In: Zeitschrift für angewandte Mathematik und Mechanik, 92, 4-7, Schäfer, Philipp; Gampert, Markus; Peters, Norbert: The length distribution of streamline segments in homogeneous isotropic decaying turbulence In: Physics of Fluids, 24, , Mueller, Michael E.; Pitsch, Heinz: Les model for sooting turbulent nonpremixed flames In: Combustion and flame, 159, , Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

147 Physico-Chemical Fundamentals of Combustion Research Focus The Junior Research group Physico Chemical Fundamentals of Combustion is engaged in research and teaching activities on fundamental combustion chemistry and advanced diagnostics of combustion processes. The goal is to deeply understand the underlying reaction mechanisms of the combustion processes of conventional and novel transportation fuels towards clean and efficient combustion. Our main research goal is therefore to investigate this chemistry using diverse and state-of the art experimental facilities (eg. shock tubes and Rapid Compression Machine (RCM)). Both optical and mass-spectrometry based diagnostic techniques facilitate the interrogation of this chemistry. A further aim of the group is to develop detailed chemical kinetic models based on the strong interactions of theory, computational kinetics, thermo chemical and group additivity based rate estimation methods. The mechanisms are then validated with experimental data to develop predictive models which will facilitate the fuel design process. Juniorprof. Dr.-rer. nat. Ravi Xavier Fernandes ITV - Institut für Technische Verbrennung PCFC - Physico-Chemical Fundamentals of Combustion Templergraben Aachen Tel.: / Fax: / office@itv.rwth-aachen.de Field of Study Combustion Chemistry, Spectroscopy and Laser Diagnostics in Combustion, Reaction Kinetics and Thermodynamics Main focus Combustion Chemistry, Fundamentals of Combustion with special emphasis on Reaction Kinetics, Biofuels, Laser Diagnostics, Catalytic Combustion, Auto-ignition, Chemistry of Pollutant and Soot formation/abatement, Controlled Auto-ignition in Engines, Atmospheric Chemistry & Kinetics, Shock induced gas phase synthesis of functional nano-materials Staff 1 professor, 0 chief engineer, 3 scientific staff, 0 non-scientific staff, 7 stud. staff 147

148 Projects Experimental studies of low temperature ignition chemistry of Biofuels using a Rapid Compression Machine (RCM) Development of detailed kinetic models for novel fuels derived from Biomass Low-and Intermediate temperature combustion of biofuels using a high Pressure Shock tube (Co-Project with SWL) Ab-initio kinetics of elementary reactions in combustion Kinetics, Reaction intermediates and Mechanisms of the Ignition chemistry of Biofuels»» High speed Schlieren Imaging of combustion processes in shock tubes (Co-Project with SWL) 148

149 Publications S. Vranckx, C. Lee, H.K. Chakravarty, R.X. Fernandes : A rapid compression machine study of the low temperature combustion of cyclohexane at elevated pressures. Proceedings of the Combustion Institute (2012) proci H. K. Chakravarty, R. X. Fernandes : Reaction Kinetics of Hydrogen Abstraction Reaction by Hydroperoxyl Radical from 2-Methyltetrahydrofuran and 2,5-Dimethyltetrahydrofuan. Journal of Physical Chemistry A, 2013, 117 (24), pp , DOI: /jp402801c S. Vranckx, J. Beeckmann, W. A. Kopp, C. Lee, L. Cai, H. K. Chakravarty, H. Olivier, K. Leonard, H. Pitsch, R. X. Fernandes : An experimental and kinetic modeling study of n-butyl formate combustion. Combustion and Flame, DOI: /j.combustflame K. P. Somers, J. M. Simmie, F. Gillespie, C. Conroy, G. Black, W. K. Metcalfe, F. Battin-Leclerc, P. Dirrenberger, O. Herbinet, P. A. Glaude, P. Dagaut, C. Togbe, K. Yasunaga, R. X. Fernandes, C. Lee, R. Tripathi, H. J. Curran : A comprehensive experimental and detailed chemical kinetic modelling study of 2,5-dimethylfuran pyrolysis and oxidation. Combustion and Flame, in revision Third-party Funds 2012 Third-Party Funds expenditure:

150 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) Linder Höhe Köln Tel.: / Fax: / 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 Der Leiter des Lehrstuhls für Solartechnik Prof. Pitz-Paal ist gleichzeitig auch Co-Direktor des DLR Instituts für Solarforschung mit Sitz in Köln. Die aus der Kooperation zwischen der RWTH und dem DLR resultierenden Synergien wirken sich positiv auf Forschung und Lehre aus. Die Forschungsarbeiten des Lehrstuhls werden in den Laboren und Forschungseinrichtungen des DLR Instituts für Solarforschung durchgeführt. Studierende der RWTH haben die Möglichkeit ihre Studien-, Diplom- und Doktorarbeiten am DLR Institut für Solarforschung zu erstellen. Das Institut für Solarforschung im DLR ist mit mehr als 100 Mitarbeitern eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Solarthermie. Gemeinsam mit industriellen Partnern werden konzentrierende Solarsysteme zur Wärme-, Strom und Brennstofferzeugung für eine nachhaltige Energieversorgung der Erde optimiert und weiter entwickelt. Mitarbeiter des Instituts arbeiten an den Forschungseinrichtungen in Köln, Stuttgart und Jülich sowie mit einer permanenten Delegation von 10 Mitarbeitern am größten europäischen Testzentrum für konzentrierende Solartechnologien, der Plataforma Solar in Almería. Zu den Labors und Versuchsanlagen des Instituts für Solarforschung in Köln gehören ein Hochflussdichte-Sonnenofen (20 kw), ein Hochleistungsstrahler und das Qualifizierungszentrum Quarz. Im CeraStorE beim DLR in Köln arbeiten Wissenschaftler aus den Bereichen Solarforschung, Werkstattforschung und Technische Thermodynamik gemeinsam an der Entwicklung von neuen Energiespeichermethoden. In Jülich betreibt das Institut am einzigen Solarturm-Kraftwerk Deutschlands Forschung im industrierelevanten Maßstab. 150

151 Ausgewählte laufende Projekte Solare Turmkraftwerke Bei Solaren Turmkraftwerken wird solare Direktstrahlung über nachgeführte Spiegelsysteme, sogenannte Heliostate, konzentriert und in Hochtemperaturwärme umgewandelt. Diese Wärmeenergie wird entweder direkt zum Antrieb eines thermischen Kraftwerkskreislaufs (z.b. Rankine-Dampfprozess) eingesetzt oder in einem thermischen Speicher zwischengespeichert. Aufgrund der Komplexität einer derartigen Anlage und der transienten Strahlungsleistung der Sonne ist der optimale Betrieb eines solaren Turmkraftwerks eine große Herausforderung. Dieses Problem wird in dem mit NRW-Landesmitteln geförderten Projekt Simulationsunterstützte Betriebsoptimierung für Solarturmkraftwerke (SiBopS) bearbeitet, bei dem unter anderem das DLR-Institut für Solarforschung und die RWTH-Institute für Regelungstechnik (IRT) und für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen (IKDG) zusammenarbeiten. Ziel des Projekts ist die Effizienzsteigerung durch softwarebasierte Instrumente der Betriebsführung. Abb. 1: Das solare Versuchskraftwerk in Jülich Ein Verfahren konzentriert sich auf die optimale Verteilung der reflektierten Strahlung auf der Oberfläche des Strahlungsempfängers (Receiver). Die lokale Bestrahlungsstärke der Receiverfläche hat starke Auswirkungen sowohl auf den Umwandlungswirkungsgrad in Wärme als auch auf die Materialbelastung des Receivers. Durch die sich ständig ändernden Strahlungsbedingungen ist eine häufige Korrektur der Verteilung der Zielpunkte der Heliostaten nötig. Bei Spiegelfeldern mit üblicherweise mehreren Tausend einzeln der Sonne nachgeführten Heliostaten führt die gewaltige Anzahl an Freiheitsgraden in der Spiegelausrichtung zu einem praktisch unlösbaren Optimierungsproblem. Es wurde daher in den letzten Jahren ein heuristisches kombinatorisches Verfahren entwickelt, das auf einen aus der Verhaltensbiologie abgeleiteten Optimierungsalgorithmus zurückgreift. Dieses Verfahren zur Zielpunktoptimierung wird im Projekt SiBopS weiterentwickelt und am Solarturm Jülich im realen Betrieb getestet. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung eines modellbasierten Betriebsassistenzsystems (BAS), das während des Kraftwerksbetriebs, ausgehend vom momentanen Anlagenzustand, den Betrieb für einen gewissen Zeithorizont (z.b. eine Stunde) vorausberechnen kann. Das BAS kann in einer einfachen Form vom Anlagenfahrer genutzt werden, um die Auswirkung eines geplanten Stelleingriffs zu studieren (Manöversimulator). In seiner Endfassung soll das Betriebsassistenzsystem unter Einbeziehung der momentanen und zukünftigen Randbedingungen die jeweils effizienzoptimale Betriebsweise der Anlage berechnen. Dazu werden geeignete dynamische Modelle der Anlage erstellt und entsprechende Optimierungsverfahren ausgewählt. Das Betriebsassistenzsystem wird im Solarturm Jülich auf geeigneter Hardware implementiert und im realen Kraftwerksbetrieb getestet. Abb. 3: Optimierte Flussdichteverteilung auf der Receiveroberfläche Abb. 2: Prinzip-Schaltbild des solare Versuchskraftwerk Abb. 4: Die Stufen des Betriebsassistenzsystem 151

152 Ausgewählte Veröffentlichungen Belhomme, B.: Bewertung und Optimierung von Zielpunktstrategien für solare Turmkraftwerke. Shaker Verlag, Aachen 2011 J. Gall: Betriebsführung und -optimierung eines solarthermischen Turmkraftwerks, Düsseldorf: VDI Verlag GmbH, 2012 Ahlbrink, N., Belhomme, B., Flesch, R., Maldonado Quinto, D., Rong, A. and Schwarzbözl, P: STRAL: Fast Ray Tracing Software with Tool Coupling Capabilities for High-Precision Simulations of Solar Thermal Power Plants. Proceedings of 18th SolarPACES International Conference, September 2012, Marrakech, Morocco Nolteernsting, D. Fischer, J. Gall and D. Abel: Optimal Storage Usage in CSP: A Dynamic Programming Approach, in SolarPACES, Marrakesh, Nolteernsting and D. Abel: How to maximize the output of a given powerplant: Implementation of an operation assistance system in a solar power tower, in SolarPACES Las Vegas, 2013 (in press) Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

153 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 Aachen Tel.: / Fax: / carina.brand@ilt.fraunhofer.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, 46 wiss. Mitarbeiter/-innen, 13 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 46 stud. Mitarbeiter/-innen 153

154 Ausgewählte laufende Projekte Topologieoptimiertes Bauteildesign Aufgabenstellung: Mit Topologieoptimierungsmethoden kann die Geometrie eines Bauteils optimal an funktionale Anforderungen (z.b. Krafteinleitung, Festigkeit) angepasst werden. So können beispielsweise sehr leichte und gleichzeitig sehr steife Bauteile entworfen werden. Das resultierende Design zeichnet sich meist durch eine filigrane, bionische Struktur aus, die auch innere Hohlstrukturen umfassen kann. Da ein solches Design mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht herstellbar ist, werden die Ergebnisse der Topologieoptimierung nur als Anhaltspunkt verwendet und das Design von Hand so angepasst, dass es z.b. gegossen oder zerspant werden kann. Die Bauteile werden dabei wieder massiver und schwerer, d. h. die Möglichkeiten der Topologieoptimierung werden nur teilweise genutzt. Generative Fertigungverfahren erlauben die Fertigung nahezu beliebiger Geometrien und bieten somit die Möglichkeit, das Potenzial der Topologieoptimierung vollständig zu nutzen. Ergebnis: Auftragraten Ausgangspunkt ist das Design für einen Achsschenkel, das für das Hochgeschwindigkeitszerspanen optimiert war. Im Vergleich zu diesem über Jahre mehrfach optimierten Design konnten mit der SLMspezifischen Topologieoptimierung ca. 18 Prozent des Bauteilgewichts eingespart werden. Der SLM-optimierte Achsschenkel hat Abmessungen von ca. 220 mm x 160 mm und wurde mithilfe von High Power Selective Laser Melting (HP-SLM) mit einer Laserleistung von 500 W aus einer hochfesten Aluminiumlegierung (AlMgSc) aufgebaut (Abb. 1).»» Anwendungsfelder: Anwendungsfelder für generativ gefertigte, topologieoptimierte Bauteile sind neben dem Automobilbau vor allem die Luft- und Raumfahrtindustrie, da hier das Bauteilgewicht eine wesentliche Rolle spielt. Vorgehensweise: Bei der Fertigung mit Selective Laser Melting (SLM) müssen die Algorithmen zur Topologieoptimierung an die fertigungstechnischen Möglichkeiten von SLM angepasst werden. Dazu werden z. B. Filterfunktionen und Gitterparameter an minimal realisierbare Featuregrößen angepasst. Ein derart topologieoptimiertes Design muss nur leicht geglättet werden, um anschließend direkt mit SLM aufgebaut zu werden Abb. 1: Generativ gefertigtes, topologieoptimiertes Automobilbauteil 154

155 Montierte Mikrobauteile aus Glas Aufgabenstellung: Für mikromechanische Systeme werden Mikrobauteile mit maskenbasierten oder abformenden Verfahren hergestellt, welche für Prototypen und kleine Stückzahlen oft nicht geeignet sind. Das anschließende Zusammensetzen der Mikrobauteile zu einem mikromechanischen System ist aufwendig, wenn die Bauteile klein und komplex sind. Daher ist die Herstellung von bereits zusammengebauten mikromechanischen Systemen insbesondere für Prototypen und Kleinserien vorteilhaft. Ziel ist eine individualisierte Produktion von komplexen Strukturen durch digitale photonische Produktion, also die laserbasierte Fertigung direkt aus digitalen Daten (CAD). Für transparente Werkstoffe ist ein für die digitale photonische Produktion geeignetes Verfahren das laserinduzierte selektive Ätzen. Vorgehensweise: Das selektive laserinduzierte Ätzen ist ein zweistufiger Prozess: Im ersten Schritt wird das für die Laserstrahlung transparente Material im Inneren modifiziert. Dafür wird ultrakurz gepulste Laserstrahlung (500 fs - 5 ps) fokussiert (1-2 μm). Durch die Bewegung des Fokus wird ein zusammenhängendes Volumen modifiziert, welches Kontakt zur Außenfläche des Werkstücks aufweist. Im zweiten Schritt wird das modifizierte Material selektiv durch nasschemisches Ätzen entfernt. Für die digitale photonische Produktion von komplexen Bauteilen werden aus den digitalen CAD-Daten die Bahndaten für den Laserfokus erstellt und mittels CAM-Software das Mikroscannersystem synchron gesteuert. Das Mikroscannersystem und die Bauteile sollen durch ein ausgegründetes Unternehmen zukünftig kommerziell verfügbar werden. Ergebnis: In Quarzglas wird ein Zahnrad von 4 mm Durchmesser hergestellt, welches nach dem Ätzen drehbar auf seiner Achse montiert ist (Abb.2). Ähnlich diesem Demonstrator können komplexe mikromechanische Systeme wie beispielsweise Getriebe auf der Basis von CAD-Daten hergestellt werden. Für Anwendungsfelder in der Mikrofluidik wird beispielsweise ein dreidimensionaler Mikromischer mit vier Kanälen und einer beweglichen Glaskugel im Inneren des Mischvolumens hergestellt (Abb.3). Anwendungsfelder: Anwendungsfelder sind die Mikromechanik für individuell und bereits montiert gefertigte Mikrokomponenten sowie die Mikrofluidik, in der Hohlstrukturen zum Einsatz kommen. Abb. 3: Bewegliche Glaskugel im Mikromischer Abb. 2: Bewegliches, montiertes Zahnrad in Glas 155

156 Ausgewählte Veröffentlichungen Gottmann, J., Hermans, M., Hörstmann-Jungemann, M., Schaefer, D.: Selective laser etching of sapphire & glasses, Ind. Laser Sol. Manuf. 27(2), 8-13 (2012) Reininghaus, M., Wortmann, D., Finger, J., Faley, O., Poprawe, R., Stampfer, C.: Laser induced non-thermal deposition of ultrathin graphite, Appl. Phys. Lett. 100, Nr. 15, 1-3 (2012) Kelbassa, I., Gasser, A., Meiners, W., Backes, G., Müller, B.: High speed LAM, Proceeding of the 37th International MATADOR Conference, 5 S. (2012) Ocylok, S., Kelbassa, I.: Study on cracks in laser direct-cladded titanium layer on low carbon steel, Acta Metallurgica Sinica Vol. 48 No. 2, pp (2012) Merkt, S., Hinke, C., Schleifenbaum, H., Voswinckel, H.: Geometric complexity analysis in an integrative technology evaluation model (ITEM) for selective laser melting (SLM), South African Journal of Industrial Engineering, Vol 23 (2), pp (2012) Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

157 Lehrstuhl für Medizintechnik Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik Forschungsschwerpunkte 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. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Radermacher meditec - Lehrstuhl für Medizintechnik Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen Pauwelsstraße Aachen Tel.: / Fax: / meditec@hia.rwth-aachen.de Schwerpunktthemen: Bild- und Informationsverarbeitung Biomechanische Modellierung und Simulation Chirurgische Navigation und Robotik Sensorintegrierte Instrumente ( Smart Instruments ) Ultraschall- und Stoßwellentechnik in der Medizin Ergonomie und Risikomanagement Studienrichtungen Grundlagen des Maschinenwesens, Allgemeiner Maschinenbau Schwerpunkte Medizintechnik, Biomaterialien, Diagnostische und Therapeutische Instrumenten- und Gerätetechnik; Biomechanik, Computergestützte Chirugietechnik; Ergonomie, Mensch-Maschine-Interaktion und Risikomanagement Personal 1 Professor, 2 Obering./-innen, 26 wiss. Mitarbeiter/-innen, 7 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 40 stud. Mitarbeiter/-innen 157

158 Ausgewählte laufende Projekte Biomechanics of the wrist In cooperation with the Department of Plastic Surgery, Hand and Burns Surgery (University Hospital Aachen) we develop enhanced biomechanical multi body simulation models of the wrist joint. For experimental model validation US, CT and MRT image data as well as motion analysis with miniaturized magnetic tracking sensors are used. The identification of appropriate parameters and strategies for surgical therapy planning are major objectives of our work. Results of model based simulation and motion analysis of wrist joint biomechanics IDA Intraoral Data Acquisition Using Ultrasound Micro-Scanning Computer-integrated manufacturing of dental pros-thesis such as crowns, bridges and inlays gains more and more importance due to its high accuracy and its time efficiency. One crucial step of the CAD/CAM process is the precise intraoral surface digitization of the tooth preparation with an accuracy of better than 50 µm. The objective of the interdisciplinary IDAproject* is the development of an US based intraoral micro-scanner replacing the conventional casting process without the draw-backs of current optical scanners. The first lab-type of the IDA micro-scanner integrating a focused high frequency US transducer has been successfully implemented and tested. The high accuracy of the 2-axis ultrasonic scanner prototype has been confirmed by in-vitro laser measurements and a conventional dental optical scanner. Evaluation of ultrasound micro-scanning with the IDA Sonic prototype: lab set-up Impedance Controlled Surgical Instrumentation Revision total hip replacement surgery is one of the standard procedures in orthopedic surgery. In case of a cemented prosthesis stem the bone cement removal out of the femoral cavity is important for the success of the surgical intervention. The project ICOS* investigates the approach of using the variation of electrical impedance during bone cement removal for an intraoperative robot assisted real-time control of the remaining bone cement. A milling tool and the MINARO mini-robot system were adapted for im-pedance measurement. Furthermore, a strategy for real-time milling path generation using only local information from impedance measurement was developed and actually undergoes experimental evaluation. Experimental set-up for the impedance controlled robotic milling with the MINARO system smartor demonstrator Over the last three years, the smartor* project created an innovative solution for the integration of medical devices and IT systems in operating rooms. The development of an open surgical communication bus and interfaces for a platform and vendor independent solution on the basis of a service oriented architecture (SOA) are key elements of the concept. The smartor partners were able to demonstrate a plug-&-play implementation and integration of several IT systems of different vendors at the conhit 2012 trade fair and on an official status symposium and work shop in November The results of the smartor project are one essential basis for the BMBF project OR.NET* aiming to take the medical IT integration to the next level by migrating from an OR-only system to a clinic-wide integrated platform. smartor demonstrator Further information on actual research projects: 158

159 Ausgewählte Veröffentlichungen Jörg Eschweiler; Lorenz Fieten; Jasmin Dell Anna; Koroush Kabir; Sascha Gravius; Markus Tingart; Klaus Radermacher: Application and evaluation of biomechanical models and scores for the planning of total hip arthroplasty Journal of Engineering in Medicine, Vol. 226, pp , 2012 Ibach, Bastian; Benzko, Julia; Schlichting, Stefan; Zimolong, Andreas; Radermacher, Klaus: Integrating medical devices in the operating room using service-oriented architectures. Biomed Tech (Berl), Vol. 57, pp , 2012 M. Niggemeyer; M. Müller; A. Niesche; M. de la Fuente; A. Komadinic; K. Radermacher: Modular design of a miniaturized surgical robot system Biomed Tech (Berl), Vol. 57, pp , 2012 Follmann, Axel; Korff, Alexander; Fuertjes, Tobias; Kunze, Sandra C.; Schmieder, Kirsten; Radermacher, Klaus.: A Novel Concept for Smart Trepanation Journal of Craniofacial Surgery, Vol. 23, pp , 2012 Fieten, Lorenz; Dupraz, Ingrid; Reising, Kilian; Helwig, Peter; Heger, Stefan; Blömer, Wilhelm; Radermacher, Klaus: Ultrasound-based registration of the pelvic coordinate system in the lateral position using symmetry for total hip replacement. Biomed Tech (Berl), Vol. 57, pp , 2012 Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

160 Lehrstuhl und Institut für Leichtbau Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hans-Günther Reimerdes ILB - Lehrstuhl und Institut für Leichtbau Wüllnerstraße Aachen Tel.: / Fax: / info@ilb.rwth-aachen.de 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 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, 9 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 19 stud. Mitarbeiter/-innen 160

161 Ausgewählte laufende Projekte iboss-1 / iboss-2 BMWI-Projekt Intelligenter Baukasten für das On Orbit Servicing Ziel des iboss-projektes ist die Entwicklung und Auslegung eines Baukastens für modulare Satellitensysteme mit beliebigen Missionsszenarien. Der modulare Aufbau ermöglicht die Wartung sowie die Rekonfiguration des Gesamtsystems durch robotische Service-Satelliten im Orbit. Wesentlicher Bestandteil der Arbeiten am ilb ist die Ausarbeitung eines geeigneten Strukturkonzepts sowie die Entwicklung von Schnittstellen, die die robotische Manipulation zulassen. iboss Strukturkonzept Im Jahr 2012 wurde iboss-1 mit einem Proof-of-Concept-Demonstrator abgeschlossen. Dabei wurden die Schlüsseltechnologien des am ilb entwickelten Strukturkonzeptes gezeigt. Würfelförmige Bausteine beherbergen die einzelnen Satellitensysteme und bilden die Tragstruktur des Satelliten. Mechanische Schnittstellenelemente gewährleisten die zuverlässige Lastübertragung während der kritischen Startphase und ermöglichen gleichzeitig die Rekonfiguration und Wartung im Orbit. Im Berichtzeitraum wurde der Antrag zur Fortführung des entwickelten Konzeptes in einem Folgeprojekt gestellt und bewilligt. Das seit Oktober 2012 laufende iboss-2-projekt zielt dabei auf die Erhöhung der Technologiereifegrade der Schlüsseltechnologien des Konzepts ab DAEDALOS- EU-Projekt Dynamics in Aircraft Engineering Design and Analysis for Light Optimized Structures Im Rahmen des europäischen DAEDALOS-Projektes wird im Hinblick auf einen optimierten Flugzeugentwurf die Auswirkung dynamischer Lasten auf diverse Flugzeugstrukturen numerisch und experimentell untersucht. Von besonderem Interesse ist dabei die Ermittlung der von der Flugzeugstruktur dissipierten mechanischen Energie. Aufgabe des Instituts für Leichtbau (ilb) ist es, Versuche durchzuführen, bei denen die Dämpfungseigenschaften von Aluminium und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) bestimmt werden. Zugleich sind Versuche auf Komponentenebene vorgesehen, bei denen die Dämpfungseigenschaften von versteiften CFK-Platten unter steigender Druckbelastung im ausgebeulten Zustand in einer experimentellen Modalanalyse untersucht werden. Im Laufe des Jahres 2012 wurden am ilb dynamische Zugversuche an Aluminum- und CFK-Proben durchgeführt. Die Proben wurden dabei zyklisch belastet und die in den Proben dissipierte Energie wurde in Abhängigkeit der Parameter Anregungsfrequenz, Vorspannung und Spannungsamplitude gemessen. Im Fall der CFK-Proben wurden die Versuche für unterschiedliche Laminataufbauten durchgeführt. Es zeigte sich, dass die dissipierte Energie pro Volumen bei gleichem Faser- und Matrixwerkstoff höher für ein Laminat mit Gewebelagen als für eines mit nur unidirektionalen Lagen ist. Im Vergleich zu Aluminium zeigten die untersuchten Laminate leicht kleinere Dämpfungswerte. Für die versteiften CFK-Platten wurden zunächst das Beulverhalten und die modalen Parameter Eigenfrequenz und Eigenschwingungsform mit der Methode der Finiten Elemente vorhergesagt. Zur Durchführung der Experimente wurde ein Prüfstand entwickelt und gefertigt. Ergebnisse von ersten Tests (siehe Abbildung) zeigen gute Übereinstimmung mit numerischer Berechnung bezüglich der statischen Beullast der versteiften CFK-Platten. Vergleich des sich im Versuch ergebenden Beulmusters (links) mit dem vorhergesagten Beulmuster (rechts) der versteiften CFK-Platte nach dem statischen Beultest 161

162 DESICOS - EU-Projekt New Robust Design Guideline for Imperfection Sensitive Composite Launcher Structures Im Rahmen des europäischen Projektes DESICOS sollen neue Richtlinien zur strukturellen Auslegung von Trägerrakten wie der Ariane V entwickelt werden. Trägerraketen bestehen aus versteiften und unversteiften Schalenstrukturen, die während des Startvorganges durch Axialdruck belastest werden. Diese Strukturen sind dünnwandig und versagen folglich auf Grund von strukturellem Stabilitätsversagen. Da Schalenstrukturen anfällig gegenüber Imperfektionen sind, werden diese bereits bei der Vorauslegung durch die Anwendung empirischer Abminderungsfaktoren, die in den 1960er Jahren entwickelt wurden, berücksichtigt. Auf Grund des technologischen Fortschrittes, ist es fraglich, ob die o.g. Abminderungsfaktoren tatsächlich zu repräsentativen Beullasten heutiger Schalenstrukturen führen. Um eine zu konservative Auslegung zu vermeiden, soll eine neue Richtlinie entwickelt werden, die es erlaubt die Imperfektionsempfindlichkeit heutiger Schalenstrukturen zu erfassen um vergleichsweise leichtere und günstigere Schalenstrukturen herstellen zu können. Im Laufe des Jahres 2012 wurden am Institut für Leichtbau für unversteifte Schalen untersucht, wie sich ein in jüngster Zeit entwickelter Ansatz, der Single Perturbation Load Approach, zur Erfassung der Imperfektionsempfindlichkeit der Schalen eignet. Hierbei wird angenommen, dass eine radiale konzentrierte Störlast, die ungünstigste Imperfektion darstellt und damit einen sinnvollen Abminderungsfaktor liefert. Hierzu wurden Analysen mit der Finiten Elementen Methode durchgeführt (siehe Abbildung). Die erzielten Ergebnisse wurden mit denen aus einem klassischen, für analytische Verfahren geeigneten Ansatz verglichen, der achsensymmetrischen Imperfektionen mit variierender Amplitude annimmt. Durch den Vergleich der Ergebnisse für unterschiedliche Schalengeometrien mit Versuchsergebnissen, die in der Literatur veröffentlicht wurden, zeigte sich, dass der neue Ansatz mit der Störlast nicht geeignet ist, bei unversteiften dünnwandigen Schalen, die Imperfektionsempfindlichkeit zu beschreiben. Kreiszylinderschale belastet mit einer radialen Störlast a. unterkritische axiale Belastung, b. kritische axiale Belastung, c. überkritische axiale Belastung 162

163 Ausgewählte Veröffentlichungen Adomeit, A., Lakshmanan, M., Seefeldt, P., Reimerdes, H.-G., Weise, J., Dornburg, L., Briess, K.: Structures for modular and serviceable spacecraft systems. In proceedings: 12th European Conference on Space Structures, Materials & Environmental Testing, Noordwijk, The Netherlands, ESA SP-691, 2012 Quatmann, M., Chaves Vargas, M., Lakshmanan, M., Reimerdes, H.-G.: Prediction of the crippling load of omega-stringer stiffened composite shells. Proceedings of ECCM15-15th European Conference on Composite Materials, Venice, Italy, 2012 Quatmann, M., Nölke, D., Reimerdes, H.-G.: Optimization of an omega-stringer stiffened cylindrical shell structure. In proceedings: 12th European Conference on Space Strucutres, Materials & Environmental Testing, Noordwijk, The Netherlands, ESA SP-691, 2012 Klaus, M., Reimerdes, H.-G., Gupta, N.K.: Experimental and numerical investigations of residual strength after impact of sandwich panels. International Journal of Impact Engineering 44, 2012, pp Quatmann, M., Reimerdes, H.-G.: Computationally efficient analysis of the postbuckling behaviour of stiffened fuselage sections. Proceedings of 53rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Honolulu, USA, 2012 Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

164 Institut für SchweiSStechnik und Fügetechnik Forschungsschwerpunkte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen ISF - Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen University Pontstraße Aachen Tel.: / Fax: / office@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 werden nahezu alle industriell relevanten, stoffschlüssigen Fügeverfahren. Dazu gehören die Lichtbogenschweißverfahren mit ihren modernen Prozessvarianten, das gesamte Spektrum der Elektronen- und Laserstrahlschweißverfahren, Widerstands- und Reibschweißprozesse sowie die Klebtechnik und, in Kooperation mit dem FZ Jülich, das Löten und Diffusionsschweißen. Begleitend werden Arbeiten zur schweißtechnischen Verarbeitung moderner Werkstoffe, zur Automatisierung und Mechanisierung, zur Prozesssimulation sowie zum Arbeitsund Umweltschutz durchgeführt. Schwerpunkte sind neben grundlegenden Prozess- und Verfahrensanalysen auf den genannten Gebieten vor allem die applikationsorientierte Umsetzung der daraus gewonnenen Erkenntnisse in die Neu- und Weiterentwicklung von Fügetechnologien für innovative Werkstoffe und Konstruktionen. Zusätzlich nehmen direkte Industriekooperationen, die von kleineren Einzelprojekten bis hin zu langfristigen Entwicklungskooperationen reichen, breiten Raum in der wissenschaftlichen Arbeit ein. Dank der großen Bandbreite fügetechnischer Kompetenzen kann für nahezu jede fügetechnische Problemstellung eine zielführende Lösung erarbeitet werden. Die Servicebereiche chemische Analytik und Metallographie sowie eine umfangreiche Werkstoffprüfung werden für die Projektarbeit gnutzt und als Dienstleistung angeboten. Bearbeitet werden zur Zeit unter anderem werkstoffkundliche, verfahrensund simulationstechnische Fragestellungen aus dem Anlagen- und Behälterbau, der Automobiltechnik, dem Schiffbau, dem Maschinenbau, dem Bauwesen sowie der Elektro- und Elektronikindustrie. 164

165 Ausgewählte laufende Projekte Ziel II NRW JoinZinc Energiearmes thermisches Fügen mit Zink- und Zinnbasislot für den Einsatz im Fahrzeugbau Im Fahrzeugbau werden moderne Leichtbaukonzepte durch Kombination der Vorteile verschiedener Werkstoffe wie Stahl, Aluminium und Magnesium in einem Bauteil umgesetzt und so im Karosseriebau Gewichtseinsparungen bis zu 40 % realisiert. Beim Schweißen von Hybridverbindungen aus unterschiedlichen Werkstoffen mit dem Kostengünstigen und zuverlässigen MSG-Verfahren treten jedoch metallurgische, physikalische und mechanische Probleme auf. Diese können durch einen energiearmen Lichtbogenprozess mit einem niedrigschmelzenden Lotwerkstoff weitestgehend vermieden werden. Ziel dieses Projektes ist es, den energiearmen MSG-Prozess mit Zink- und Zinnbasislot für den Einsatz im Fahrzeugbau weiterzuentwickeln. Der Fokus auf einen konkreten Einsatzfall ermöglicht es, den Schweißprozess auf diesen Einsatz zu optimieren und Schweißstrategien dafür zu erarbeiten, die der Fahrzeugbau im Anschluss an das Projekt sukzessive in die Produktion einführen kann MSG-Löten mit Zinkbasislot - Versagen im Grundwerkstoff DFG Simulationsunterstützte Erstellung eines erweiterten Prozessmodells für das Unterpulverschweißen durch Kombination indirekter und direkter Erfassung von Schweißbadgeometrie und dynamik Trotz der großen industriellen Relevanz des Unterpulverschweißverfahrens gibt es hierfür bisher kein befriedigendes physikalisch basiertes Modell für die Simulation von Temperaturfelds und der Schweißbadgeometrie. Es fehlen dazu sowohl Untersuchungen über die Schweißbadausbildung und den Einfluss verschiedener Schweißparameter auf diese, als auch die Modellierung der Strömungsvorgänge im Schweißbad inklusive thermischer und elektromagnetischer Effekte. In diesem Projekt wird durch Kombination von indirekten Methoden, wie z.b. dem Ausblasen der Schmelze im Prozess, und direkten Methoden, wie der röntgenographischen Visualisierung der Schweißprozesszone eine umfassende systematische Untersuchung der Schweißbadausbildung und der Schweißbaddynamik durchgeführt. Die bei den experimentellen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse werden zur Modellierung der Strömungsvorgänge im Schweißbad und darauf aufbauend zur simulationsgestützten Erstellung eines erweiterten Prozessmodells genutzt welches gleichzeitig die Basis für eine grundlegend verbesserte und durchgängige Simulation von Gefügeentstehung, Eigenspannung und Verzug beim Unterpulverschweißen bildet. Erfassung der Schweißbadgeometrie beim UP-Schweißen - Ausblasvorrichtung und Schmelzbadabdruck AIF Qualifizierung des Elektronenstrahlschweißens im Dickblechbereich für Anwendungen im Windenergieanlagenbau 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 MW geplant. Die Gründungs- und Tragwerke sind großen statischen, dynamischen und zyklischen Belastungen ausgesetzt und werden deshalb als schwere Strukturen mit einem Materialgewicht von bis zu 900 t mit bis zu 1230 m Schweißnähten ausgebildet. Dieses Ziel ist jedoch vermutlich nur zu erreichen, wenn wirtschaftlichere und schnellere Schweißverfahren zum Einsatz kommen können. Ziel dieses Vorhabens ist es, das EB-Schweißverfahren für die Errichtung von Off-Shore WEA-Parks zu qualifizieren. AIF Neues Bewertungskonzept zur Abschätzung der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Schweißverbindungen höchstfester Feinkornbaustähle aus dem Temperatur-Zeit-Verlauf Ziel des Projektes ist es, das bekannte und für ferritische Stähle eingeführte t8/5-konzept wissenschaftlich fundiert zu erweitern. Das neue bzw. erweiterte Konzept soll auch für umwandlungsfähige Stähle mit etwas höheren Legierungsgehalten und TM-Behandlungen, wie sie bei hoch- und höherfesten Feinkornbaustählen zum Einsatz kommen, anwendbar sein. Des Weiteren soll es auch die zur Verarbeitung dieser Werkstoffgruppe eingesetzten, häufig stärker legierten, Zusatzwerkstoffe einschließen, dabei jedoch auch für geringer legierte ferritsche Stähle nutzbar bleiben. Der Nutzen ergibt sich aus der Verfügbarkeit einer zuverlässigen Charakterisierung der durch den Schweißprozess und Wärmeführungsmaßnahmen einzustellenden Bedingungen, die eine werkstoffgerechte und die Eigenschaften erhaltende Verarbeitung von hoch- und höchstfesten Stählen erlaubt. Den Anwendern dieser Werkstoffe soll so ein auf die Praxis zugeschnittenes, einfaches Anwendungs- bzw. Berechnungsschema für die Bestimmung von Schweißparametern und damit zusammenhängenden mechanischtechnologischen Eigenschaften an die Hand gegeben werden. 165

166 Ausgewählte Veröffentlichungen Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Ufer, Sebastian; Bleck, Wolfgang; Münstermann, S.; Golisch, G.: Qualification of electron beam welding in the thick-plate range for applications in wind energy plant construction International Electron Beam Welding Conference, 2nd IEBW Conference, Aachen, March 26-30, DVS-Berichte, Band 285; pp , DVS Media, Düsseldorf Reisgen, Uwe; Schleser, Markus; Mokrov, Oleg; Ahmed, Essam: Optimization of laser welding of DP/TRIP steel sheets using statistical approach Optics & Laser Technology 44 (2012), pp , Elsevier, Oxford, UK Reisgen, Uwe; Beckers, Marion; Buchholz, Guido; Willms, Konrad: Progress towards model based optimisation of gas metal arc welding processes Welding in the World, 2012, Vol. 56, 9/10, pp , IIW Paris Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Jakobs, Stefan: A comparison of electron beam welding with laser beam welding in vacuum International Electron Beam Welding Conference, 2nd IEBW Conference, Aachen, March 26-30, DVS-Berichte, Band 285; pp , DVS Media Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Mavany, Michael; Turner, Christoph; Dilger, Klaus; Frauenhofer, Michael; Weber, Marcus: Thermisches Fügen von komplexen Bauteilen aus oberflächenveredelten Blechwerkstoffen im Überlappstoß unter Verwendung von Haftklebstoffen Schweißen und Schneiden, 64, 2012, 7, pp , DVS Media, Düsseldorf Drittmittelausgaben 2012 Anzahl der Drittmittelprojekte:

167 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 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 Aachen Tel.: / Fax: / office-ac@grs-sim.de 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 167

168 Ausgewählte laufende Projekte THROMBUS A Quantitive Model of Thrombosis in Intracranial Aneurysms. Virtual Physiological Human. (gefördert durch die EU, ) 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. Zeitliche Entwicklung der Blutgerinnung in einem Aneurisma mit eingesetztem Stent Die Gerinnung von Blut wird sowohl von physikalischen Eigenschaften der Blutströmung wie der Scherrate und dem Transport von Blutzellen und Gerinnungsfaktoren, als auch von biologischen Prozessen, wie der Gerinnungskaskade und der Aktivierung von Thrombozyten beeinflusst. Zentral für die Entwicklung des Modells ist das Finden von effizienten Algorithmen für die gekoppelte Simulation der komplexen Prozesse. HISEEM Hocheffiziente integrierte Simulation von Elektromembranverfahren zur Entsalzung von Meerwasser (gefördert durch das BMBF, ) 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. Das Zusammenwirken von elektro-magnetischen Feldern, komplexer Hydrodynamik in den Kanälen des Membranmoduls und diffusivem Stofftransport in der wässrigen Elektrolytlösung soll numerisch untersucht werden. Ziel ist die Simulation eines kompletten Systems, wie es in Industrieanlagen zum Einsatz kommt. Hierfür werden effiziente Algorithmen zur integrierten Simulation von Multi-Physik Anwendungen für heterogene HPC-Systeme entwickelt und in das Softwarepaket APES integriert. In einem ersten Schritt wurde die Durchströmung der Spacer-Struktur mit über 15 Million Gitterpunkten auf 500 Cores erfolgreich simuliert. Derzeit wird der auf dem Lattice Boltzmann Verfahren basierende Strömungslöser um Komponenten zum konvektiven und diffusivem Stofftransport einer wässrigen Elektrolytlösung weiterentwickelt. Der Ionentransport durch die Membran sowie die elektrodynamischen Kräfte werden mit einem Discontinuous Galerkin Löser aus dem APES-Paket simuliert. Die Kopplung der Komponenten wird wesentlich dadurch vereinfacht, dass beide Löser auf derselben Datenstruktur aufbauen. Salzionen Konzentration bei der Umströmung der Spacer-Struktur mit Meerwasser Für erste Berechnungen einer Blutströmung durch ein patienten-spezifisches Aneurysma ohne Stent wurde auf 64 Cores ein Gitter von 5 Millionen Elementen gewählt. In einem zweiten Schritt wurde das Aneurysma mit Stent simuliert. Die erforderliche Anzahl der Elemente des Gitters war mit 23 Millionen fast fünfmal größer als im vorherigen Fall. Für die weiteren Simulationen wird die Komplexität des Lösers bis hin zum kompletten biologischen Modell schrittweise erhöht. 168

169 Ausgewählte Veröffentlichungen J. Gracia, C. Niethammer, M. Hasert, S. Brinkmann, R. Keller, C.W. Glass: Hybrid MPI/StarSs - A case study, Proceedings of the th IEEE International Symposi-um on Parallel and Distributed Processing with Applications, ISPA 2012, pp M. Hasert, H. Klimach, J. Bernsdorf, S. Roller: Aeroacoustic Validation of the Lattice Boltzmann Method on Non-Uniform Grids, ECCOMAS 2012, J. Eberhardsteiner (ed), pp Harald G. Klimach, Manuel Hasert, Jens Zudrop, Sabine P. Roller: Distributed Octree Mesh Infrastructure for Flow Simulations. ECCOMAS European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, J. Eberhardsteiner (ed): e-book Full Papers, Vienna, Austria. J. Zudrop, H. Klimach, M. Hasert, K. Masilamani, S. Roller: A fully distributed CFD framework for massively parallel systems. In: Cray User Group 2012, Stuttgart, Germany»» K. Masilamani, J. Zudrop, K. Ibrahim, M. Johannink, H. Klimach, J. Bernsdorf, A. Mhamdi, E.M. Fernandez Sanchis, A. Hauser, W. Marquardt, S. Roller: Large scale flow simulation with complex spacer geometry in electrodialysis for sea water desalination, Proceedings of the European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering ECCOMAS 2012 Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

170 Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Christopher Marc Schlick IAW - Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft Bergdriesch Aachen Tel.: / Fax: / info@iaw.rwth-aachen.de Studienrichtungen Produktionstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen, Lehramt für Berufkollegs, Fachdidaktik im Maschinenbau Forschungsschwerpunkte des Instituts für Arbeitswissenschaft sind die Gestaltung und Optimierung von Arbeitssystemen und Arbeitsprozessen in Entwicklung, Produktion und Service. Diese Forschungsaufgaben werden mit einem Team von Ingenieuren, Wirtschaftsingenieuren, Informatikern und Sozialwissenschaftlern erfüllt. Auf Basis einer innovativen, ergonomischen Mensch-Maschine-Interaktion fördern wir Kreativität, Kompetenz, Fähigkeiten und Fertigkeiten des Menschen in komplexen Wertschöpfungsprozessen, mit dem Ziel, Arbeitsorganisation, Arbeitsbedingungen und Arbeitsergebnisse zu optimieren. Hierzu werden im Forschungszusammenhang vor allem Verfahren zur Modellbildung und Simulation eingesetzt. Gemeinsam mit öffentlichen Forschungsförderern und unseren Kunden aus der Industrie setzen wir dieses Ziel in die Praxis um. Großunternehmen profitieren von der anwendungsorientierten Forschung ebenso wie kleine und mittelständische Unternehmen. Die pluridisziplinäre Zusammensetzung des Instituts ermöglicht u.a. auch die Bearbeitung von dringlichen übergreifenden Forschungsfragen im Kontext des demografischen Wandels. Schwerpunkte Ergonomie, Mensch-Maschine-Systeme. Arbeitsorganisation, Projektmanagement, Fachdidaktik Maschinenbautechnik»» Personal 2 Professoren, 4 Obering./-innen, 28 wiss. Mitarbeiter/-innen, 9 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 48 stud. Mitarbeiter/-innen 170

171 Ausgewählte laufende Projekte H-Mode2KFF - Von H-Mode zu einer kooperativen Fahrzeugführung Das Projekt H-Mode2KFF befasst sich im Rahmen einer kooperativen Fahrzeugführung mit einem intuitiv verständlichen und multimodal ausgelegten Automations- und Interaktionskonzept für teil- und hochautomatisierte Fahrzeuge (s. Abb. 1). Abb. 1: Automationsskala Ausgangspunkt des Projektes war die als H(orse)-Metapher beschriebene Einsicht, dass es zwischen assistiertem und autonomem Fahren einen verbindenden Mittelweg geben könnte, der Assistenz mit teil- und hochautomatisierten Konzepten im Sinn der Ergonomie flexibel kombiniert. Bei diesem Ansatz verfügt das technische Untersystem über eine hohe Wahrnehmungs- und Handlungsfähigkeit. Jedoch bleibt im Gegensatz zu autonomen Fahrzeugen der Fahrer zu wechselnden Anteilen weiter sinnvoll in die Fahraufgabe eingebunden, ähnlich einer Rollenverteilung zwischen Reiter und Pferd. Der essentielle Aspekt von H-Mode besteht darin, dass Fahrer und Automation zunehmend als Kooperationspartner auftreten, die ihre Rollen und Kompetenzen innerhalb der Aufgabe Fahrzeugführung dynamisch verteilen (siehe Abb. 2). Die Grundlage dafür bildet eine haptische Kommunikation zwischen Fahrer und Automation. Diese wird durch aktiv ansteuerbare Nutzerschnittstellen realisiert, wobei sowohl traditionelle Interaktionselemente (Lenkrad/Gaspedal) berücksichtigt, als auch innovative Eingabekonzepte (Sidestick und Yoke) auf ihre Anwendbarkeit im Kontext der kooperativen Fahrzeugführung überprüft werden. Ergänzend zur haptischen Kommunikation erfolgt über Anzeigen wie z.b. ein kontaktanaloges Head-Up Display eine visuelle Rückmeldung von Systemzustand und -absicht. Dadurch werden die Nutzerakzeptanz und das Systemverständnis erhöht, die Erkennbarkeit von Systemfehlern und Systemgrenzen erleichtert, sowie die Reaktion auf Systemausfälle verbessert. Mit diesem umfassenden Interaktionskonzept kann sowohl die Aufgabe des Fahrers bei einer Teilautomation erleichtert, wie auch Übernahmen durch den Fahrer aus der hochautomatisierten Fahrt entschärft werden. Abb. 2: Schaubild Entwicklung und Evaluierung kognitiver Systeme Im Rahmen des DFG geförderten Exzellenzclusters Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer beschäftigt sich das IAW mit der Entwicklung einer kognitiven Planungs- und Steuerungseinheit (engl. cognitive control unit, kurz: CCU) für einen robotergestützten Montageprozess und mit deren Einfluss auf den Menschen. Dieses kognitive System ist aufgrund seiner besonderen Symbol- und Signalverarbeitung sowie durch die enge Kooperation mit der Facharbeiterin bzw. dem Facharbeiter in der Lage, den Fertigungsablauf unter sich ändernden Randbedingungen und aufgrund unvollständiger Informationen fein zu planen und ggf. hinsichtlich vorgegebener fertigungstechnischer Kriterien situativ zu optimieren. Um kognitive Funktionen der Steuerung zu simulieren, wurde die kognitive Architektur SOAR (State, Operator Apply Result) ausgewählt, deren interne Wissensbasis in Form von Produktionsregeln aufgebaut ist. SOAR ist in der Lage, bis zu einem gewissen Grad regelbasierte Entscheidungen des Menschen zu simulieren und sich ständig wiederholende, eintönige Tätigkeiten zu übernehmen. Zur Gestaltung der Prozesslogik im Hinblick auf Montageroboter wurden elementare Bestandteile der MTM-1-Taxonomie verwendet. In rechnergestützten Versuchsreihen konnte gezeigt werden, dass das System zu validen und reliablen Ergebnissen im Sinne eines vollständigen, fehlerfreien und zielgerichteten Aufbaus kommt. Im Hinblick auf eine Überwachungsaufgabe durch den Menschen jedoch erscheinen die Ergebnisse unzulänglich, da sie aufgrund der hohen prozeduralen Varianz nicht kompatibel mit der menschlichen Erwartungshaltung sein können. Daher wurden im Rahmen von empirischen Untersuchungen Montageheuristiken erhoben und validiert mit dem Ziel, diese Heuristiken als Regeln zur Erweiterung der Prozesslogik des kognitiven Simulationsmodells zu verwenden. In einer Laborstudie konnten positive Effekte der Integration dieser Montageheuristiken nachgewiesen werden. Ausgehend von einer beobachteten, fünf Schritte umfassenden Montagesequenz eines Roboters und dem bekannten Zielzustand, bestand die Aufgabe für den Operateur darin, eine Prädiktion des nächsten erwarteten Schrittes vorzunehmen. Die Untersuchungen zeigten, dass ein Trend zu kürzeren Zeiten für die Dauer der Prädiktion beobachtet werde konnte. Weiter konnte ein positiver Einfluss auf die subjektive Einschätzung der Zufriedenheit mit der Ausführung der Aufgabe erzielt werden. Abb. 3: Versuchsaufbau 171

172 Ausgewählte Veröffentlichungen Schlick, C.; Schneider, S.; Duckwitz, S.: Modelling of cooperative work in concurrent engineering projects based on extended work transformation matrices with hidden state variables, In: Proceedings of the 14th International DSM Conference, Kyoto, Japan, September 2012, Hrsg.: Onishi, M.; Maurer, M.; Kirner, K.; Lindemann, U., Carl Hanser, München 2012, ISBN , S Schlick, C.; Winkelholz, C.; Ziefle, M.; Mertens, A.: Visual Displays, In: The Human-Computer Interaction Handbook, Hrsg.: Jacko, J., CRC Press, Boca Raton, FL 2012, ISBN , S Schlick, C.; Duckwitz, S.; Schneider, S.: Project dynamics and emergent complexity, In: Computational and Mathematical Organization Theory, Springer, Aachen 2012, ISSN X, S Flemisch, F.; Meier, S.; Baltzer, M.; Altendorf, E.; Heesen, M.; Griesche, S.; Weißgerber, T.; Kienle, M.; Damböck, D.; Fortschrittliches Anzeige- und Interaktionskonzept für die kooperative Führung hochautomatisierter Fahrzeuge: Ausgewählte Ergebnisse mit H-Mode 2D 1.0; 54. Fachausschusssitzung Anthropotechnik: Fortschrittliche Anzeigesysteme für die Fahrzeug- und Prozessführung; Koblenz, 2012»» Mayer, M.; Odenthal, B.; Faber, M.; Schlick, C.: Cognitively automated assembly processes: a simulation based evaluation of performance, In: Work: A Journal of Prevention, Assessment and Rehabilitation - IEA 2012: 18th World congress on Ergonomics - Designing a sustainable future, Hrsg.: Soares, M.; Jacobs, K., Amsterdam, 41 (2012) Supplement 1, ISSN (print), (online), S

173 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. Im Rahmen unserer Forschungsarbeiten bieten wir Studierenden aktuelle und attraktive Bachelor-, Projekt- und Masterarbeiten sowie die Möglichkeit, als studentische Hilfskraft aktiv in den Projekten, die wir überwiegend zusammen mit Industriepartnern, aber auch mit Hochschulpartnern aus China, Südafrika und Brasilien durchführen, mitzuarbeiten. Dabei stehen neueste Messgeräte wie ein Computertomograph, Lasermesssyteme und Koordinatenmessgeräte zur Verfügung. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt WZL - Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement Steinbachstr Aachen Tel.: / Fax: / info@wzl.rwth-aachen.de Studienrichtungen Maschinenbau, Produktionstechnik, Entwicklung und Konstruktion, Fahrzeugtechnik und Transport, Kunststoff- und Textiltechnik Schwerpunkte Fertigungsmesstechnik, Qualitätsmanagement Personal 1 Professor, 5 Obering./-innen, 43 wiss. Mitarbeiter/-innen, 11 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 75 stud. Mitarbeiter/-innen 173

174 Ausgewählte laufende Projekte (QC)² - Quantifiable Closed Quality Control Um den Herausforderungen schnell wachsender Märkte und sich verändernder Technologien zu entsprechen, ist es für Unternehmen essenziell, sich schnell und flexibel auf externe oder interne Störungen einstellen zu können. Geschlossene Qualitätsregelkreise sind vor diesem Hintergrund eine wichtige Grundlage zur robusten Gestaltung von Geschäftsprozessen. In dem Forschungsprojekt (QC)² wurden hierzu Grundprinzipien der Regelungstechnik und Kybernetik auf das Problemfeld kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) übertragen. Die Ergebnisse des transnationalen CORNET-Forschungsprojektes (QC)² liefern Unternehmen konkrete Ansätze zur effizienten Gestaltung und Verbesserung von Qualitätsregelkreisen nach regelungstechnischen Gesichtspunkten. In dem Projekt wurde zunächst die Struktur technischer Regelkreise auf die Architektur unternehmerischer Geschäftsprozesse übertragen. Der Sensor hat dabei die Aufgabe, den Prozess eines Unternehmens auf seine Zielkonformität hin zu analysieren und zu bewerten. Bei signifikanten Abweichungen oberhalb eines zu definierenden Schwellwerts löst der Sensor schließlich einen Korrekturprozess aus. Der Regler wählt in Abhängigkeit von der Kritizität der erkannten Abweichungen Sofort- und Abstellmaßnahmen aus, die der Qualitäts-Aktor schließlich im Prozess implementiert. Dieses Grobmodell wurde in mehreren Schritten verfeinert und durch die Kombination mit einer Bewertungssystematik zu einem Prozess-Assessment-Modell weiterentwickelt. Die entwickelte Systematik wurde schließlich in Zusammenarbeit mit dem Computer and Automation Research Institute der Hungarian Academy of Science (MTA SZTAKI) und der Faculty of Mechanical Engineering der Budapest University of Technology and Economics in eine Software-Anwendung, den (QC)² Loop Editor, implementiert. Die Software ermöglicht es Unternehmen, bestehende Qualitätsregelkreise zu analysieren, Verbesserungspotenziale zu identifizieren sowie neue Qualitätsregelkreise zielorientiert zu gestalten. Um die Praxistauglichkeit der Methode zu garantieren und einen hohen Nutzen in Unternehmen sicherzustellen, wurden die einzelnen Module gemeinsam mit den am Projekt beteiligten KMU entwickelt und in der Praxis hinsichtlich ihre Anwendbarkeit validiert. Die Software kann von Unternehmen kostenlos über die Internetseite heruntergeladen werden. Voraussetzung hierfür ist lediglich die kostenlose Registrierung in der (QC)² Community. Gleichzeitig bietet die Internetseite eine Onlineplattform für den unternehmensübergreifenden Austausch von Qualitätsregelkreisen und dient dem Wissenstransfer hinsichtlich der Gestaltung ebensolcher Projekte. Ansprechpartner Dipl.-Ing. Henrik Glöckner Telefon: h.gloeckner@wzl.rwth-aachen.de 174

175 Ausgewählte Veröffentlichungen Stürwald, S.; Schmitt, R.: Combination of a nano-coordinate measuring machine with a low coherent digital holographic microscopy sensor for large scale measurements in: SPIE Smart Nano-Micro Materials and Devices, Hrsg.: Andrews, D.; Grote, J.SPIE Proceedings Vol 8204, SPIE Bellingham, USA/Washington 2011, ISBN , S Schmitt, R.; Isermann, M.; Laass, M.; Wagels, C.: Integrative Self-optimising Process Chains in: Integrative Production Technology for High-Wage Countries, Hrsg.: Brecher, C., Springer Berlin 2011, ISBN , S Quattelbaum, B.; Schmitt, R.: Tolerancing subjective and uncertain customer requirements regarding perceived product quality in: 12th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing, April 2012, Huddersfield, U.K., Hrsg.: Jiang, X., University Huddersfield/EPSRC Centre for Innovative Manufacturing in Advanced Metrology Huddersfield/ UK 2012, S Schmitt, R.; Monostori, L.; Glöckner, H.; Viharos, Z.: Design and assessment of quality control loops for stable business processes in: CIRP Annals - Manufacturing Technology 61 (2012), 1, ISSN , S »» Schmitt, R.; Jatzkowski, P.; Schönberg, A.: Navigation as a Key for Self-Optimizing Assembly Processes in: Advances in Ergonomics in Manufacturing, Hrsg.: Trzcielinski, S.; Karwowski, W.Advances in Human Factors and Ergonomics Series 18, CRC Press Boca Raton/ USA 2012, ISBN , S

176 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 Aachen Tel.: / Fax: / Schomburg@kemikro.rwth-aachen.de Studienrichtungen Konstruktion, Grundlagen des Maschinenbaus, Produktionstechnik für Mikrosysteme Schwerpunkte Konstruktion von Mikrosystemen, Mikrofertigung mit Ultraschall KEmikro ist eine der wenigen Forschungsstätten weltweit, deren Forschungsschwerpunkt die Konstruktion von Mikrosystemen ist. Insbesondere werden Mikrosysteme entwickelt, die so preiswert gefertigt werden können, dass sie auch in kleineren Stückzahlen und mit überschaubaren Investitionen rentabel sein können. Damit eröffnet sich auch für mittlere und kleine Unternehmen die Möglichkeit, Mikrosysteme zu fertigen und zu verkaufen. Kostengünstige Mikrosysteme können vor allem aus Kunststoffen hergestellt werden. Deshalb nehmen Mikrosysteme aus Polymeren eine zentrale Rolle ein. Prinzipiell wird aber in jedem Fall nach dem günstigsten Weg für die jeweilige Fertigung und Anwendung gesucht. KEmikro ist besonders erfolgreich bei der Entwicklung von Herstellungsverfahren, bei denen mikrofluidische Systeme durch Ultraschallheißprägen und -schweißen erzeugt werden. Diese Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass die Zkluszeit nur wenige Sekunden beträgt und dass die Investitionskosten für den Aufbau einer einfachen Fertigung nur bei einigen Euro liegen. Die Ergebnisse der Forschung finden über die Vorlesungen Mikrotechnische Konstruktion, Konstruktion von Mikrosystemen und Einführung in die Mikrosystemtechnik Eingang in die Lehre. Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 7 wiss. Mitarbeiter/-innen, 2 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 10 stud. Mitarbeiter/-innen 176

177 Ausgewählte laufende Projekte Mikrosysteme Die Herstellung von Mikrosystemen durch Ultraschall wurde weiterentwickelt, sodass jetzt neben dem Heißprägen und Schweißen mit Ultraschall auch Mikrostrukturen mit Ultraschall genietet, gestanzt und thermogeformt wurden. Abb.1 zeigt Schnitte durch eine 100 µm dicke Folie aus Polyetheretherketon (PEEK), die durch Thermoformen mit Ultraschall mikrostrukturiert wurde, und durch eine 600 µm dicke Folie aus Polyethylen (PE), die durch Ultraschallheißprägen geformt wurde. Das besondere an diesen Prozessen ist, dass sie nur eine Zykluszeit von wenigen Sekunden benötigen, obwohl alternative Fertigungsverfahren dazu mindestens einige Minuten benötigen. Das macht die Produkte ausgesprochen preiswert. Darüber hinaus ist die Fertigung sehr flexibel, ein neues Design kann innerhalb eines Tages erstellt und umgesetzt werden. Abb. 1: Durch Ultraschall-Thermoformen bzw. Ultraschall-Heißprägen mikrostrukturierte Folien Für den Anschluss von mikrofluidischen Systemen an die Außenwelt wurden verschiedene Möglichkeiten erprobt. Sowohl elektrische als auch fluidische Anschlüsse können realisiert werden, indem entweder Kabel oder Schläuche in Mikrogräben eingelegt werden, bevor eine Deckelfolie mit Ultraschall aufgeschweißt wird. Das Kabel bzw. der Schlauch werden dann dichtend mit eingeschweißt. In Abb. 2 ist eine Küvette aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) zu sehen, durch die eine elektrische Kabelverbindung führt und in die durch einen eingeschweißten Schlauch aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ein Medium zugeführt werden kann. Darüber hinaus können durch Deckel und Boden der Küvette hindurch optische Messungen am Medium vorgenommen werden. In Abb. 2 sind auch Schnitte durch den eingeschweißten Schlauch und den eingeschweißten Kupferdraht zu sehen. Außerdem können Mikrokanäle auf Polymerplättchen aufgeschweißt werden, in denen vorher Durchgangslöcher mit Gewinden angebracht wurden. Auf diese Weise wird es möglich, Standardschlauchverbindungen zum mikrofluidischen System herzustellen. Auch das Aufkleben von fluidischen Anschlüssen ist möglich, wird aber gern vermieden, weil ein Klebstoff durch die verwendeten Medien womöglich aufgelöst werden kann, während bei eingeschweißten Verbindungen kein zusätzliches Material verwendet zu werden braucht. Eine weitere interessante Möglichkeit besteht darin, elektronische Schaltungen durch Ultraschallheißprägen zu fertigen. Wenn auf einer Trägerfolie aus Polymer eine elektrisch leitfähige Schicht, z.b. aus Kupfer, aufgebracht ist, kann durch einen einfachen Prägeschritt innerhalb einer Sekunde ein Teil der leitfähigen Schicht in die Tiefe der Trägerfolie verlagert werden. Dadurch entstehen elektrische Leiterbahnen auf der Oberfläche der Folie. Auf diese Leiterbahnen wird dann eine so genannte anisotrop leitfähige Folie aufgelegt, die den elektrischen Strom nur senkrecht zu ihrer Oberfläche leitet. In einem speziellen Werkzeug werden dann elektronische Bauelemente eingelegt und relativ zu den Leiterbahnen positioniert. Durch einen weiteren Prägeschritt, werden die Bauelemente innerhalb einer Sekunde üver die anisotrop leitfähige Folie mit den Leiterbahnen verbunden. Abb. 3 zeigt eine Multivibratorschaltung, bei der nach Anlegen einer Versorgungsspannung zwei Leuchtdioden abwechseln zu blinken beginnen. Zu dieser Schaltung gehören 5 elektrische Widerstände, 2 Leuchtdioden, 2 Kondensatoren und 2 Transistoren. Das Foto wurde gemacht, als die obere der beiden Leuchtdioden gerade aufleuchtete Abb. 3: Elektronische Multivibratorschaltung Abb. 2: Mikroküvette mit elektrischen und fluidischen Zugängen (oben) und Schnitte durch den eingeschweißten Schlauch bzw. Draht (unten) 177

178 Ausgewählte Veröffentlichungen K. Burlage, C. Gerhardy, H. Praefke, M.A. Liauw, W.K. Schomburg: Slug Length Monitoring in liquid-liquid Taylor-Flow integrated in a novel PVDF Micro Channel, Chemical Engineering Journal 227 (2012) , J. Sackmann, K. Burlage, C. Gerhardy, D. Loibl, L. Cui, W.K. Schomburg: Polymer Micro Fluidic Systems Fabricated by Ultrasound, Proc. Micro Fluidic Handling Systemes, MFHS 2012, Session E, C. Gerhardy, W.K. Schomburg: Time of flow sensor with a flow parallel wire, Sensors and Actuators A 186 (2012) , B. Memering, C. Gerhardy, W.K. Schomburg: Filamentary micro sensors with predetermined breaking points, Procedia Engineering 47 (2012) , A. Barth, C. Gerhardy, W.K. Schomburg: Bistable polymer micro valve with a thermo-pneumatic actuator, Proceedings MME 2012, C14 Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

179 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 Aachen Tel.: / Fax: / office@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 179

180 Ausgewählte laufende Projekte Entwicklung eines zonalen RANS-LES Verfahrens Die numerische Berechnung komplexer turbulenter Strömungsprobleme erfordert generell eine Turbulenzmodellierung höherer Ordnung, um eine physikalisch richtige Lösung sicherzustellen. Da in zahlreichen Strömungssimulationen allerdings nur lokal mit einer erhöhten Komplexität der Strömungsphysik zu rechnen ist, kommt ein zonaler Ansatz in Frage, der die Gebiete, in denen die Strömung ausgeprägte Gradienten aufweist, mit Hilfe einer Grobstruktursimulation (LES) simuliert und für die umliegenden Strömungsgebiete, die sich z.b. durch eine Gleichgewichtsgrenzschicht auszeichnen, eine Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) Rechnung anwendet (Abb. 1). Abb. 1: Transonisches Strömungsfeld Numerische Analyse der dreidimensionalen turbulenten Strömung im Brennraum von Verbrennungsmotoren Die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt wesentlich von der turbulenten Strömung im Zylinder ab. Klein- und großskalige turbulente Strömungsstrukturen beeinflussen die Gemischaufbereitung des Brennstoff-Luftgemisches, interagieren mit der Flammenfront und wirken sich somit direkt auf die Flammenoberfläche, Brenngeschwindigkeiten und die Flammenstabilität aus. Infolgedessen haben die Strömungsstrukturen, die sich während des Ansaug- und Kompressionstaktes ausbilden, einen entscheidenden Einfluss auf den Motorwirkungsgrad und die Schadstoffbildung. Daher ist das Verständnis der charakteristischen Strömungsphänomene in Verbrennungsmotoren eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung verbesserter Brennverfahren und neuartiger Kraftstoffe. Im Rahmen dieses Projektes wird ein numerisches Verfahren, das auf unstrukturieren kartesischen Gittern besteht, zur Berechnung der Motorinnenströmung in realen Vierventil-Motoren entwickelt, wobei die Strömung der ersten zwei Takte mittels hochaufgelöster Grobstruktursimulationen untersucht wird (Abb. 2). Dies erlaubt eine detaillierte Analyse der vorliegenden turbulenten Strukturen und deren Interaktion, der turbulenten Längenmaße sowie der Turbulenzintensitäten. Des Weiteren soll der hochgradig instationäre Charakter der Strömung untersucht und potentielle Quellen für unerwünschte zyklische Schwankungen der dominanten Strömungsstrukturen und damit des gesamten innermotorischen Verbrennungsprozesses identifiziert werden. Abb. 2: Strömungsstrukturen im 4-Ventil Motor Hinsichtlich des zonalen RANS-LES Ansatzes stellt die Kopplung des Strömungsfeldes zwischen RANS und LES eine mathematische und physikalische Herausforderung dar. Vor allem Methoden, die eine effiziente Transition der gemittelten turbulenten Strömung des RANS-Gebietes hin zu einer dreidimensionalen instationären turbulenten Strömung im 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. 180

181 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 , Hartmann, D., Meinke, M., and Schröder, W.: The Constrained Reinitialization Equation for Level Set Methods, Journal of Comp. Physics, Vol. 229,pp , König, D., Meinke, M., and Schröder, W.: Embedded LES/RANS Boundary in Zonal Simulations, Journal of Turbulence, Vol. 11, No. 7, pp. 1-25, 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 , 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, , Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

182 Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Produktionssystematik Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Günther Schuh WZL - Werkzeugmaschinenlabor Lehrstuhl für Produktionssystematik Steinbachstr Aachen Tel.: / Fax: / g.schuh@wzl.rwth-aachen.de Studienrichtungen Produktionstechnik Schwerpunkte Unternehmensentwicklung, Innovationsmanagement, Produktionsmanagement, Komplexitätsmanagement Personal 1 Professor, 4 Obering./-innen, 33 wiss. Mitarbeiter/-innen, 8 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 68 stud. Mitarbeiter/-innen Ziel der Arbeiten des Lehrstuhls für Produktionssystematik ist es, der produzierenden Industrie durch konzeptionelle Forschungsergebnisse zu langfristigem und dauerhaftem Erfolg zu verhelfen. Die Themen erstrecken sich von der Unternehmensentwicklung über das Innovationsmanagement bis zur operativen Produktionsplanung und -steuerung. Eine besondere Stärke des Lehrstuhls für Produktionssystematik besteht in der engen Verbindung von ingenieurswissenschaftlicher und betriebswirtschaftlicher Forschung, die in anwendungsnaher Forschung und Industrieprojekten weitergegeben und vertieft wird. Der Branchenfokus des Lehrstuhls für Produktionssystematik liegt auf dem Werkzeug- und Formenbau, dem Maschinen- und Anlagenbau und der Automobilindustrie. Der Lehrstuhl für Produktionssystematik gliedert sich in die drei Abteilungen Unternehmensentwicklung, Innovationsmanagement und Produktionsmanagement. Fokus der Abteilung Unternehmensentwicklung sind die Themenfelder Kompentenzmanagement und Wertschöpfungsmanagement. Sie unterstützt organisatorische und technologische Veränderungen in Unternehmen und überträgt in ihrer Forschung und Beratungspraxis erfolgreiche Prinzipien der Serienfertigung auf den durch Kleinstserien und Unikatfertigung geprägten Werkzeugbau. 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 Eigenund Fremdfertigung am richtigen Standort nutzten und ein optimal aufeinander abgestimmtes Produktionsnetz entstehen lassen. Weitere Tätigkeitsfelder sind Fabrikneu- und -umplanung und Lean Produktion. 182

183 Ausgewählte laufende Projekte ConTOOL Controlling of Resource Efficiency Throughout the Life-cycle of Tools Ziel des Forschungsprojekts ConTOOL, welches durch die Programme Ziel 2.NRW und den EFRE geförderten wird, ist die Branche Werkzeugbau für das Thema Ressourceneffizienz zu sensibilisieren und Stellhebel für Ressourceneinsparungen im Werkzeugerstellungsprozess sowie der anschließenden Teilefertigung aufzuzeigen. Dazu ist eine ganzheitliche Lebenszyklusbetrachtung des Werkzeugs notwendig, um Daten über den Ressourcenverbrauch des Werkzeugs zu sammeln und Ressourcentreiber aufzudecken. Auf dieser Basis kann das erlangte Wissen in Entwicklungs- und Produktionsprozesse einfließen und zur Bewertung und Optimierung der Ressourceneffizienz genutzt werden. Letztendlich müssen neben der Verbesserung der Ressourceneffizienz auch die zum Teil erst langfristigen Vorteile von ressourceneffizienten Werkzeugen potenziellen Kunden kommuniziert werden. Marktpositionierungsmodell für ressourceneffiziente Werkzeuge Im Forschungsprojekt ConTOOL wurde nach der Identifikation von potenziellen Stellhebeln zur Einsparung von Ressourcen, wie den benötigten Temperaturen und Drücken beim Spritzgussprozess, ein Werkzeug zur Produktion eines Nummernschildhalters entwickelt. Mit Hilfe von Spritzgusssimulationen wurden Auswirkungen verschiedener Varianten hinsichtlich Kunststoffart und Heißkanalsystem auf den Material- und Energiebedarf untersucht. Zahlreiche Sensoren am Werkzeug sollen Messwerte zur Validierung der Simulationsergebnisse aufnehmen. Zur Kommunikation der Vorteile von ressourceneffizienten Werkzeugen hat das WZL ein Marktpositionierungsmodell entwickelt, welches einen Ordnungsrahmen zur kundengerechten Positionierung von Werkzeugen bildet. Auf Basis von Kundenanforderungen und Produktmerkmalen sollen mögliche Positionierungsstrategien für ressourceneffiziente Werkzeuge erarbeitet werden. InnoZiel Steigerung der Innovationsproduktivität mittelständischer Arzneimittelhersteller durch strategisch orientierte Zielbildung (AiF) Die Arzneimittelbranche in Deutschland ist sehr durch den hohen Anteil mittelständischer Unternehmen geprägt. Diese sind vor dem Hintergrund sehr hoher Aufwendungen für ihre Innovationstätigkeit auf die erfolgreiche Zulassung und Positionierung ihrer Neuprodukte am Markt angewiesen. Innovationsaktivitäten führen zur Entwicklung neuer Produkte, die bei Erhalt eines Patents und einer Marktzulassung erheblich zur Verbesserung der Wettbewerbssituation des Unternehmens beitragen. Gleichzeitig ergibt sich aus dem Misserfolg einer Innovationstätigkeit oder dem Auslaufen eines Patentes aber oftmals eine die Eigenständigkeit des Unternehmens direkt bedrohende Situation. Das Ziel des von der AiF in Zusammenarbeit mit der Forschungsvereinigung der Arzneimittel-Hersteller e.v. (FAH), Bonn geförderten Projektes InnoZiel mit einer Gesamtlaufzeit von 29 Monaten besteht daher darin, mittelständische Arzneimittelhersteller dazu zu befähigen, individuelle Innovationsstrategien systematisch zu definieren und in praktisch wirksame Zielsysteme für ihre Innovationsprojekte zu überführen. Dies wird erreicht durch eine anwendungsnahe und branchenspezifische Methodik, mit der mittelständische Arzneimittelhersteller ihre Innovationsstrategie und darauf aufbauend die Zielsysteme ihrer Innovationsprojekte transparent und belastbar definieren und intern kommunizieren können. Damit trägt dieses Vorhaben wesentlich dazu bei, die Innovationsproduktivität mittelständischer Arzneimittelhersteller erheblich zu verbessern, indem Forschungsund Entwicklungsressourcen fokussiert eingesetzt werden können. Das Forschungsvorhaben gliedert sich im Wesentlichen in die drei Schritte Modellierung des Strategieprozesses, Methodik zum Portfolioaufbau und Aufbau von Zielsystemen, die durch den projektbegleitenden Ausschuss unterstützt und deren Ergebnisse in gemeinsamen Workshops validiert werden. Die Projektergebnisse fließen darüber hinaus in ein Softwaretool ein, das interessierten Unternehmen zusammen mit einem Leitfaden zur Anwendung der Methodik am Projektende zur Verfügung steht. Übersicht der methodischen Elemente von der strategischen zur projektspezifischen Ebene 183

184 Ausgewählte Veröffentlichungen Schuh, G.; Arnoscht, J.; Aleksic, S.: Systematische Gestaltung von Kommunalitäten in Produkten und Prozessen, in : ZWF - Zeitschrift für wissenschaftlichen Fabrikbetrieb 107 (2012), 5, ISSN , S Schuh, G.; Arnoscht, J.; Völker, M.: Product Design Leverage on the Changeability of Production Systems, in: Procedia CIRP 1 (2012), 3, ISSN , S Schuh, G.; Kuhlmann, K.; Pitsch, M.: Further Education in the Tool and Die Industry, in: Technology Management for Emerging Technologies: Proceedings of PICMET 12 Portland, International Center for Management of Engineering and Technology, Portland State University, Vancouver, Canada, July 29 August 2, 2012, Hrsg.: Kocaoglu, D. et al., Portland State University Portland/ USA 2012, ISBN: , S Schuh, G.; Boos, W.; Kuhlmann, K.; Schippers, M.: Der Werkzeugbau im Wandel. Operative Exzellenz, in: Kunststoffe 102 (2012), 10, ISSN , S »» Schuh, G.; Potente, T.; Fuchs, S.; Thomas, S.; Schmitz, S.; Hausberg, C.; Hauptvogel, A.; Brambring, F.: Self-optimizing decision-making in production control, in: Robust Manufacturing Control - Proceedings of the CIRP Sponsored Conference RoMaC 2012, Bremen, Germany, 18th-20th June 2012, Hrsg.: Windt, K., Lecture Notes in Production Engineering, Springer, 2013, ISBN: , S

185 Lehr- und Forschungsgebiet für Nichtlineare Dynamik der Laser- Fertigungsverfahren Forschungsschwerpunkt Anwendungen Wir entwickeln Konzepte zur Führung von Fertigungsverfahren (z.b. Schneiden, Schweißen, Bohren) mit Laserstrahlung und leiten daraus Anforderungen an zukünftige Lasersysteme ab. Konzepte Neue Konzepte der Verfahrensführung entstehen, wenn die Lösungseigenschaften (z.b. die Bildung anhaftender wiedererstarrter Schmelze beim Schneiden) des Modells mit den Ergebnissen aus der Diagnose bzw. den experimentell beobachtbaren Eigenschaften (z.b. Aufnahme der thermischen Emission der Schneidfront mit einer CMOS-Kamera) identifiziert werden können. Nichtlineare Dynamik Um ddie nichtlineare Dynamik (NLD) der Laser-Fertigungsverfahren besser zu verstehen, werden die Lösungseigenschaften kontinuumsphysikalischer Bewegungsgleichungen (z.b. Bewegung der Phasengrenzen beim Schmelzen und Verdampfen) analysiert. Reduzierte dynamische Systeme und Metamodellierung Durch mathematische Modellierung der als wesentlich erkannten Struktur der Lösung werden reduzierte dynamische Systeme angegeben.»» Numerische Methoden Um die Approximationsgenauigkeit der reduzierten dynamischen Systeme zu überprüfen und um zusätzliche Effekte aufzufinden, werden numerische Methoden angewandt (z.b. Level-Set Verfahren zur Beschreibung der Bewegung freier Phasengrenzen, Wavelet-Basen zur effizienten und adaptiven Funktionsapproximation). Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schulz NLD - Lehr- und Forschungsgebiet für Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren Steinbachstraße Aachen Tel.: / Fax: / wolfgang.schulz@ilt.fraunhofer.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, 8 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 4 stud. Mitarbeiter/-innen 185

186 Ausgewählte laufende Projekte Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer ERC, RFCS Safe Laser Hybrid Welding of Structural Steel by Robust Systems (HYBRO) Simulations-Ergebnis des Schmelzabtragens mit Darstellung der adaptiven Vernetzung Simulation der Riefen- und Bartbildung beim Laserschmelzschneiden Propagation eines Laserstrahls in einem Wasserstrahl Modellierung und Simulation des Abtragens von Glas 186

187 Ausgewählte Veröffentlichungen Diagnostic and Simulation of ps-laser Glass Cutting U. Eppelt, S. Russ, C. Hartmann, M. Sun, Ch. Siebert, W. Schulz. ICALEO: 31. Int. Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics, September 23-27, 2012, Anaheim, CA, USA. Congress general chair: Kunihiko Washio. Orlando, Fl.: LIA Laser Institute of America LIA Pub. 615: Vol ISBN S., Laser ablation mechanism of transparent dielectrics with picosecond laser pulses M. Sun, U. Eppelt, S. Russ, C. Hartmann, Ch. Siebert, J. Zhu, W. Schulz. In: Proceedings SPIE Vol Laser Damage, 2012 Elektronenschauer im Glas U. Eppelt. Laser Community, Ausgabe: 2012 (2), pp. 24f, 2012 Antimikrobielle Photodynamische Therapie - Analyse des Ablaufs der chemischen Prozesse L. Bürgermeister, R. Mikalauskaite, G. Vossen, W. Schulz. In: Automatisierungstechnische Verfahren für die Medizin. 10. Workshop vom 29. bis 30. März pp. 13f, 2012 Signal Processing for Self-Optimising Manufacturing Systems in Laser-Cutting and Gas-Metal-Arc-Welding U. Thombansen, M. Beckers, G. Buchholz, T. Hermanns, T. Molitor, K. Willms, U. Reisgen, W. Schulz. In: 1st Joint International Symposium on System-Integrated Intelligence Ed.: B. Denkena [u.a.]. Garbsen: PZH pp Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

188 Datengetriebene Modellierung in Computational Engineering Sciences Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schuppert AICES - Aachen Institute for advanced Studies in Computational Engineering Sciences Lehrstuhl für Datengetriebene Modellierung in Computational Engineering Science Augustinerbach Aachen Tel.: / Fax: / schuppert@aices.rwth-aachen.de Studienrichtungen Computational Engineering Science, Biomedical Engineering 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 Schwerpunkte Computational Biomedicine, Hybrid Modelling, Systems Biology Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 5 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 0 stud. Mitarbeiter/-innen 188

189 Ausgewählte laufende Projekte Multiskalenmodellierung für die Prognose der Medikamentenwirksamkeit in Tumoren 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. 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 neu implementiert und weiterenwickelt für die Analyse von Tumordatensätzen. Durch die Analyse von Zell- und wirkstoffspezifischer Muster in den Daten werden Verfahren entwickelt, die eine genauere Prognose der Wirkungsmechanismen neuer Krebsmedikamente in einer frühen Phase der Forschung mit höherer Treffergenauigkeit ermöglichen. Insbesondere soll damit die induzierte Plastizität der Zellen genauer untersucht werden. Stem Cell Factory ZNeueste Ergebnisse des Cellular Engineering zeigen, dass differenzierte somatische Zellen reprogramiert werden können zu pluripotenten Stammzellen, die neue therapeutische Optionen versprechen. Ausserdem verspricht sich die pharmazeutische Industrie verbesserte Testverfahren für Medikamente und Toxizitätstests. Allerdings birgt die Reprogrammierung ein erhebliches und bisher nicht beherrschbares Risiko für die Induktion von Tumoren, das therapeutische Optionen noch ausschliesst. Im Projekt StemCellFactory wurden in 2012 neue Datenstrukturen von Zellen identifiziert, die eine Qualitätsbeurteilung von reprogramierten Stammzellen ohne die bisher üblichen Tierversuche erlauben. Hierbei wurden die im Projektverlauf entwickelten Methoden erfolgreich auf neue Datenstrukturen, wie epigenetische Methylierungsdaten, angewandt. Hiemit können nun Zusammenhänge zwischen Reprogrammierung, Alterung und induziertem Krebsrisiko besser untersucht werden. 189

190 Ausgewählte Veröffentlichungen B.D.MacArthur, A.Sevilla, M.Lenz, F.J.Müller, B.Schuldt, A.Schuppert, S.J.Ridden, M.Fidalgo, J.Wang, I.R.Lemischka (2012): nanog-dependent feedback loops maintain alternate states of stem cell pluripotency, Nature Cell Biology, (doi: /ncb2603). B.M.Schuldt, F.J.Müller, A.Schuppert, (2012): What can networks do for you? In: New frontiers of network analysis in Systems Biology. (A.Ma ayan, B.D.MacArthur, eds.) Springer, B.Schuldt, A.Guhr, M.Lenz, S.Kobold, A.Schuppert, P.Löser, F.J.Müller (2012): Power-laws and the use of pluripotent stem cell lines, PLoS One, accepted. J. E. Goldmann, B. M. Schuldt, M. Lenz, and F.-J. Müller: PluriTest molecular diagnostic assay for pluripotency in human stem cells. In J.F. Loring and S.E. Peterson (eds): Human stem cell manual, second edition. Elsevier Inc. (2012). 39 S.Balabanov, T.Wilhelm, S.Venz, G.Keller, C.Scharf, H.Pospisil, M.Braig, C.Barett, C.Bokemeyer, R.Walther, T.H. Brümmendorf, A.Schuppert, (2013): Combination of a proteomics approach and reengineering of meso scale network models for prediction of mode-of-action for tyrosine kinase inhibitors, PLoS ONE 8(1): e doi: /journal.pone Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

191 Verfahren höherer Ordnung in der Mehrphasenströmungssimulation Forschungsschwerpunkt Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf numerischer Simulation in der Strömungsmechanik, insbesondere auf Methoden höherer Ordnung (d.h. Methoden von sehr hoher Genauigkeit). Es werden einerseits neuartige Diskretisierungsmethoden entwickelt, wie z.b. neuartige hybridisierte Finite-Elemente Verfahren, welche gerade bei Approximation mit hoher Ordnung enorme Effizienzvorteile bieten. Des Weiteren werden in diesem Zusammenhang adaptive Verfahren in Verbindung mit automatischen Fehlerschätzern untersucht, mit deren Hilfe man die Güte der Simulation abschätzen kann. Dies ist gerade bei nichtlinearen Gleichungen enorm schwierig. Einen weiteren Forschungsschwerpunkt bildet die Systembiologie. Mit mathematischen Modellen untersuchen wir Reaktionen biologischer Systeme auf Störungen, wie sie z.b. durch toxischen Stress und/oder medikamentöse Behandlung hervorgerufen werden. Oftmals betrachtet man sehr große Systeme mit vielen Freiheitsgraden, wie z.b. bei Genexpressionsmessungen. Für die praktische Anwendung sehr wichtig sind daher Verfahren zur Dimensionsreduktion, die einen besseren Einblick in genomweite Prozesse erlauben. Anwendungen finden sich z.b. in der Krebsforschung bei der Erstellung von Biomarkern, wo es das Ziel ist, mittlels Genexpressionsdaten Prognosen über die Wirksamkeit von Medikamenten und den Krankheitsverlauf zu erstellen. Juniorprofessor Georg May, Ph.D. AICES - Aachen Institute for Advanced Study in Computational Engineering Science Verfahren höherer Ordnung in der Mehrphasenströmungssimulation Schinkelstr Aachen Tel.: / Fax: / may@aices.rwth-aachen.de Studienrichtungen Computational Engineering Science, Simulation Sciences Schwerpunkte Numerik, partielle Differentialgleichungen, Fehlerschätzer Personal 1 Professor, 0 Obering./-innen, 2 wiss. Mitarbeiter/-innen, 0 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 1 stud. Mitarbeiter/-innen 191

192 Ausgewählte laufende Projekte Mehrskalenmodelle für die zuverlässige Prognose der Wirksamkeit von zielgerichteten Medikamenten in der Onkologie Gefördert durch BMBF, Kennzeichen D. 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. High Order Methods for Compressible Viscous Flow on Unstructured Meshes: New Discretization Techniques and Algorithms Gefördert durch European Office of Aerospace Research and Development (EOARD), London, Kennzeichen FA Dieses Projekt befasst sich mit der Entwicklung effizienter Diskretisierungen höherer Ordnung für Erhaltungsgleichungen, sowie zugehöriger Lösungsalgorithmen. Beispiele für Anwendungen finden sich in der Strömungsmechanik. Es werden beispielsweise neue Diskretisierungen für Erhaltungsgleichungen entwickelt, die nach dem mathematischen Prinzip der Hybridisierung arbeiten. Diese Methoden verbessern die Effizienz von Verfahren höherer Ordnung potentiell enorm, sind aber für bestimmte nichtlineare Gleichungstypen nicht ausreichend erforscht. Ein weiteres Ziel innerhalb dieses Projektes ist die zielorientierte Adaption, d.h. die optimale adaptive Verteilung der numerischen Freiheitsgrade, so dass bestimmte Zielgrössen (z.b. Auftriebs- und Wiederstandsbeiwerte in der Aerodynamik) möglichst effizient berechnet werden können. 192

193 Ausgewählte Veröffentlichungen Wang, Z. J., May, G. et al.: High-order CFD methods: current status and perspective, Int. J. Numer. Meth. Fluids 72(8), pp , Schütz J., May, G.: A Hybrid Mixed Method for the Compressible Navier-Stokes Equations, J. Comp. Phys 240, pp , DOI: /j.jcp , J. Schütz, S. Noelle, C. Steiner, May, G.: A Note on Adjoint Error Estimation for One-Dimensional Stationary Conservation Laws with Shocks, SIAM J. Numerical Analysis 51(1), pp , Schütz J., May, G.: An Adjoint Consistency Analysis for a Class of Hybrid Mixed Methods, IMA J. Numer. Anal., accepted 2013 Balan, A., Schöberl, J.,May, G.: A Stable High-Order Spectral Difference Method for Hyperbolic Conservation Laws on Triangular Elements, J. Comput. Phys. 231(5), pp , 2012 Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

194 Aachener Verfahrenstechnik Enzymprozesstechnik Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Antje C. Spieß AVT.EPT - Aachener Verfahrenstechnik Enzymprozesstechnik Worringerweg Aachen Tel.: / Fax: / secretary.ept@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, 11 wiss. Mitarbeiter/-innen, 2 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 6 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 und der Interaktion in Reaktionsnetzwerken bis hin zur angewandten Forschung des Reaktordesigns und integrierter Enzymprozesse. Im Rahmen des Exzellenzclusters TMFB wird die enzymatische Umsetzung von Cellulose und Lignin zu Plattformchemikalien betrachtet. Hier steht die Anwendung von innovativen Lösungsmitteln, die die Zugänglichkeit der Substrate für die enzymatische Katalyse verbessert, im Vordergrund. Um die enzymatische Hydrolyse von Lignin und Cellulose zu beschreiben, werden die zugrunde liegenden Mechanismen der Reaktion erforscht und geeignete mathematische Modelle entwickelt. Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Entwicklung und Untersuchung enzymkatalysierter Reaktionen in verschiedenen Reaktortypen und Reaktionsmedien dar. Viele Biokatalysatoren weisen in organischen Lösungsmitteln keine oder nur eine sehr geringe Aktivität auf. Daher wurden Enzymprozesse in wässrig-organischen Zweiphasensystemen entwickelt, in denen durch die Immobilisierung in Hydrogelen die Enzymstabilität erhöht wird. Bei der Gasphasenkatalyse beeinträchtigen oftmals erhöhte Prozesstemperaturen die Enzymstabilität. Ein grundlegendes Verständnis der Deaktivierung ist daher zur Optimierung mehrphasiger Enzymprozesse notwendig. Weitere Projekte beschäftigen sich mit der Modellierung und Untersuchung der Kinetik enzymkatalysierter Reaktionsnetzwerke, um ein quantitatives Verständnis der Reaktionsschritte zu erlangen und einen Beitrag zur Aufklärung der Struktur-Funktions-Beziehung unterschiedlicher Enzymen zu leisten. In Zusammenarbeit mit dem DWI - Institut für Interaktive Materialien wird die Kontrolle und das Design enzymkatalysierter Reaktionen durch responsive Materialien, wie beispielsweise durch funktionale Polymere und Mikrogele, erforscht. 194

195 Ausgewählte laufende Projekte Analyse der Länge von Cellulose-Ketten ohne vorherige Derivatisierung Die Bestimmung der Kettenlänge von Cellulose-Molekülen ist aufgrund ihrer schlechten Löslichkeit bisher eine Herausforderung. Die Proben müssen dafür zunächst mit gesungheitsschädlichem Phenylisothiocyanat derivatisiert werden, um vollständig substituierte und damit lösbare Cellulosederivate zu erhalten. Durch Größenauschlusschromatographie (GPC) können dann für diese derivatisierten Celluloseketten die Molekulargewichtsverteilungen bestimmt werden. Am Lehrstuhl für Enzymprozesstechnik wurde daher eine GPC-Analysemethodik entwickelt, die ohne vorherige chemische Probenvorbereitung eine Celluloseanalyse erlaubt. Die GPC-Methode nutzt dafür eine Mischung aus der ionischen Flüssigkeit EMIM Acetat und des Lösungsmittels DMF als Laufmittel. Aufgrund der somit schnellen Probenvorbereitung ist es nun möglich, Veränderungen im Abbauprozess von Cellulose zu verfolgen (Abb. 1) und liefert damit einen wichtigen Baustein für die Entwicklung nachhaltiger Produktionsprozesse. Abb. 1: Zeitliche Veränderungen der Molekulargewichtsverteilung während der enzymatischen Hydrolyse. Unbehandelt (links) und regenerierte (rechts) Cellulose (Avicel). Zur Darstellung des Massenverlustes während der Hydrolyse wurde die Fläche unter den Kurven entsprechend angepasst. Durchführung der enzymatischen Hydrolyse bei 45 C, 0,25 g/l Celluclast (R) (entsaltz) in 0,1 M NaAc-Puffer (ph 4,8). Eluent DMF/ 10% (v/v) EMIM Ac, Flussrate 0,5 ml/min. Model-basierte Vorhersage des Lösemitteleinflusses auf Enzyme in biomassebasierten Prozessen Die Vorbehandlung von Biomasse mit Lösemitteln verspricht eine verhältnismäßig milde Alternative zum sonst meist üblichen chemischen Abbau der Biopolymere zu sein. Besonders die Kopplung einer lösemittelbasierten Vorbehandlung mit dem anschließenden enzymatischen Abbau der Bioplymere ist geeignet, um schonend monomere Produkte aus Biomasse zu gewinnen. Da durch die Vorbehandlung die Biomasse strukturell verändert wird, erhöht sich die Zugänglichkeit für den enzymatischen Abbau. Allerdings können sich mögliche Rückstände der Lösemittel ebenso negativ auf die Aktivität der Enzyme auswirken. Aus diesem Grund wurde ein einfach parametrisiertes mathematisches Modell entwickelt, das zur Charakterisierung des Lösemitteleinflusses und der Enzymbindungskonstanten nur die Enzymaktivität und Enzymstabilität als Funktion des Lösemittels benötigt. Darüber hinaus beschreibt es den Einfluss verschiedener Cellulose-Substrate als Funktion der maximalen Aktivität des Enzyms und des Grads an synergistischen Effekten. Anhand diesen Modells konnten geeignete Vorhersagen zu Versuchen mit jeweils verschiedenen Cellulase-Zusammensetzungen und Lösemitteln getroffen werden (Abb. 2). Abb. 2: Modelbasierte Vorhersage der Hydrolyse von 10 g/l regenerierte α-cellulose mit und ohne Rückstand von 10% (v/v) MMIM-DMP. Verwendung von künstlicher Cellulose-Mischung aus 40 % (m/m) CBH I und 60% (m/m) EG I im Vergleich zu natürlicher Mischung. 0,1 M NaAc-Puffer, ph 4,8, 45 C. Analyse von Enzymkinetiken zur Suche nach geeigneten Substraten für Histon-Deacetylasen Histon-Deacetylasen (HDAC) sind Enzyme, die durch epigenetische Modifikationen menschliche Genexpression kontrollieren. HDAC Inhibitoren werden daher besonders als mögliche Krebsmedikamente erforscht. HDAC Aktivatoren - wie das im Rotwein vorhandene Molekül Resveratol - werden als gesundheitsförderlich angenommern. Zur Klärung der Effekte forscht die Gruppe von Dirk Schwarzer, Heidelberg, an synthetischen Substraten, die eine eindeutige Aktivierung oder Inhibition der HDAC bei in-vitro Versuchen erlaubt. Die am Lehrstuhl für Enzymprozesstechnik durchgeführte Analyse einer mit einem neuartigen Substrat der Schwarzer-Gruppe gewonnenen Enzymkinetik der HDAC Sirtuin I zeigte keine Aktivierung durch Resveratrol. Die mathematische Beschreibung der Effekte deutet somit darauf hin, dass die vormals beobachteten in-vitro Effekte durch den vermeintlichen Aktivator Resveratrol nur durch eine spezifische Wechselwirkung mit dem vorher benutzten Test-Substrat zustande kamen. 195

196 Ausgewählte Veröffentlichungen A.C. Spiess: Ionic-liquid-assisted enzymatic depolymerisation of cellulose from biomass, Dynamic Biochemistry, Process Biotechnology and Molecular Biotechnoloy, 6 (2012) P. Engel, L. Hein, A.C. Spiess: Derivatization-free gel permeation chromatography elucidates enzymatic cellulose hydrolysis, Biotechnology for Biofuels, 5.(2012). A. Dose, J.O. Jost, A.C. Spiess, P. Henklein, M. Beyermann, D. Schwarzer: Facile synthesis of colorimetric histone deacetylase substrates, Chemical Communications, 48 (2012) S. Wiese, A.C. Spiess, W. Richtering: Microgel-stabilized smart emulsions for biocatalysis, Angewandte Chemie-International Edition, 52 (2012) P. Engel, S. Krull, B. Seiferheld, A.C. Spiess: Rational approach to optimize cellulase mixtures for hydrolysis of regenerated cellulose containing residual ionic liquid, Bioresource Technology, 115 (2012) Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

197 Lehrstuhl für Brennstoffzellen Forschungsschwerpunkt Keramische Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) Reformierung von Mitteldestillaten zur H2-Versorgung von Brennstoffzellen Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC) Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) Wasserelektrolyse (PEM) und Wasserstoffinfrastrukturen Gasabtrennung für die stoffliche Nutzung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Stolten Forschungszentrum Jülich Institut für Energie- und Klimaforschung IEK-3 Elektrochemische Verfahrenstechnik Lehrstuhl für Brennstoffzellen Wilhelm-Johnen-Straße Jülich Tel.: / Fax: / Studienrichtungen Grundlagen und Technik der Brennstoffzellen Schwerpunkte Erforschung und Entwicklung von Brennstoffzellen Personal 3 Professoren, 8 Obering./-innen, 49 wiss. Mitarbeiter/-innen, 41 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 15 stud. Mitarbeiter/-innen 197

198 Ausgewählte laufende Projekte MetAPU Metallsubstrat-getragene Festelektrolyt-Brennstoffzelle (MSC) für die Bordstromversorgung (APU) Ziel des vorliegenden Projektes MetAPU ist es, aufbauend auf den BMWi- Projekten ZeuS-II und III und den derzeit noch laufenden MSC-relevanten Projekten MS-SOFC und NextGen MSC ein Stack-Konzept für eine NFZ- APU zu realisieren, welches auf gesinterten MSC-Zellen der zweiten Generation beruht. Der Schwerpunkt liegt hier auf der übergeordneten Stack- Entwicklung sowie auf der Demonstration von seriennahen MSC-Stacks. Im Projektplan ist die Vernetzung der noch laufenden und zukünftigen Projekte als chronologische Übersicht dargestellt. Vernetzung von MetAPU zu abgeschlossenen Forschungs- und zukünftigen Entwicklungsschritten ADELHEID Aus dem Labor heraus in die Lüfte IIm Projekt ADELHEID steht eine Kernkomponente für die Wasserstoffversorgung von Brennstoffzellen im Mittelpunkt der Reformer. Eine wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung von Reformern für die Brennstoffzellentechnik stellen die Herstellkosten dar. In ADELHEID sollen wissenschaftliche Ergebnisse mit Reformern des Forschungszentrums Jülich und deren technische Weiterentwicklung in eine industrielle Fertigungstechnik übertragen werden. Dazu stehen die Industrieunternehmen Thomas Magnete und Presswerk Struthütten mit ihrer umfangreichen Expertise im Apparatebau und als Zulieferer der Automobilindustrie zur Verfügung. Ergänzt wird das Konsortium durch den Ventilhersteller GSR Ventiltechnik und den Hersteller von Transportkältemaschinen FRIGOBLOCK Grosskopf. Reformer aus innovativer, industrieller Fertigung für den Brennstoffzelleneinsatz EKOLYSER Neue kostengünstige und nachhaltige Materialien für die PEM-Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien Im Rahmen des Projekts EKOLYSER werden kostengünstige und nachhaltige Materialien für die PEM-Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien entwickelt, um die PEM-Elektrolysetechnologie realistisch in den Massenmarkt für die Energie-speicherung nach dem Jahr 2020 einsetzen zu können. Das Projekt ist im Leuchtturm-Vorhaben Wind-Wasserstoff-Kopplung angesiedelt. Koordiniert durch das IEK-3 arbeiten das Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion mit den Industriepartnern FuMA-Tech, SolviCore und Gräbener Maschinentechnik zusammen. EKOLYSER-Projektkonsortium Power-to-Gas-to-Traction P2G2T: Wasserstoff aus überschüssigem Windstrom für den Verkehr Das IEK-3 hat ein Energieversorgungskonzept für Deutschland aufgestellt, das eine Reduktion des CO2-Ausstoßes um 55 % gegenüber 1990 vorsieht. Es beruht auf der Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien, Elektrolyse und Wasserstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge im Straßenverkehr. Die Residuallast wird mit Gaskraftwerken gedeckt. Der Beitrag enthält auch eine Studie zur Wasserstoffübertragung und -verteilung über Pipelines. Mit einem weiterentwickelten Ansatz, der die regionale Leistungscharakteristik der zur Verfügung stehenden Netzknoten berücksichtigt, wird die Bewertung der Rolle und des Potenzials von Wasserstoff für NRW angegangen. Es ist weiter vorgesehen, die verwendeten Modelle orts- und zeitaufgelöst zu verfeinern und für die energie- und klimapolitischen Ziele bis 2050 technologiebasierte Versorgungskonzepte für Deutschland zu entwickeln und zu quantifizieren. Energieversorgungsstrategie zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen 198

199 Ausgewählte Veröffentlichungen Stolten, D.; Emonts, B.: Fuel Cell Science and Engineering - Materials, Processes, Systems and Technology WILEY-VCH Weinheim, Vol. 1+2 (2012), ISBN: Peksen, M.; Blum, L.; Stolten, D.: Optimisation of a solid oxide fuel cell reformer using surrogate modelling, design of experiments and computational fluid dynamics Int. J. of Hydrogen Energy 37 (2012), Mergel, J.; Janßen, H.; Müller, M.; Wilhelm, J.; Stolten, D.: Development of direct methanol fuel cell systems for material handling applications J. of Fuel Cell Science and Technology, 9 (2012) 3, Zhao, L.; Riensche, E.; Weber, M.; Stolten, D.: Cascaded membrane processes for post-combustion CO2 capture Chemical Engineering & Technology, 35 (2012) 3, Majerus, A.; Conti, F.; Korte, C.; Lehnert, W.; Stolten, D.: Thermograviemtric and spectroscopic investigations of the interaction between polybenzimidazole and phosphoric acid ECS Transactions 50 (2012) 2, Drittmittelausgaben 2012 Anzahl der Drittmittelprojekte:

200 Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Eike Stumpf ILR - Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme Wüllnerstraße Aachen Tel.: / Fax: / sekretariat@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, 7 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 14 stud. Mitarbeiter/-innen Das ILR entwirft und bewertet innovative Flugzeugkonfigurationen und neuartige Flugzeugkomponenten unter Berücksichtigung des Gesamtsystems. Weiterhin werden Methoden und Tools entwickelt, die dazu beitragen, den Luftverkehr zu optimieren. Damit können beispielsweise Lärm, Schadstoffemissionen oder die direkten Betriebskosten minimiert werden. Zur Verbesserung der Turnaround-Zeiten an Flughäfen werden mit Hilfe von Optimierungstools unterschiedliche Methoden bewertet, um die Gepäckabfertigung oder den Boarding-Prozess zu beschleunigen. Seit mehr als 25 Jahren ist die Untersuchung von Wirbelschleppen startender und landender Flugzeuge ein Schwerpunkt der Forschung am ILR. Untersuchungen finden im Schleppkanal, im Windkanal sowie in zwei Wasserumlaufkanälen statt. Eine Voraussetzung zur Analyse der Entstehung und Reduzierung der Lärmabstrahlung einzelner Flugzeugschallquellen ist es, die jeweiligen instationären Strömungsfelder zu kennen. Letztere werden entweder numerisch berechnet oder im institutseigenen Windkanal messtechnisch erfasst. Im Windkanal wie im Feldversuch können auch die Schallquellen mittels eines Mikrofonarrays lokalisiert werden. Die Heckströmung von Raketenkonfigurationen erzeugt einen wesentlichen Teil des Gesamtwider-standes. Mit dem Ziel einer deutlichen Reduzierung des Heckwiderstandes werden Strömungsunter-suchungen im Heckbereich (inkl. Düsenströmung) mit innovativer Messtechnik im Windkanal durchgeführt. Messmethoden: Ölanstrich- und Rauchverfahren, 2C-, 3C- und Tomo-PIV, Druckmessungen, Kraft- und Momentenmessungen, Splitfilm-Messtechnik, Mikrofon Array, Einzelmikrofone. Numerische Methoden: CFD Optimierungstools: hauseigene Codes Simulationstools: TOMICS, Gasturb, PanAir Die Hauptvorlesungen des ILR sind: Flugzeugbau (2/2 WS; 2/1 SS) Raumfahrzeugbau (2/1 WS; 2/1 SS) Systeme der Luft- und Raumfahrt (3/1 WS) 200

201 Ausgewählte laufende Projekte SARISTU Smart Intelligent Aircraft Structures Die Senkung der Betriebskosten von Verkehrsflugzeugen ist ein vorrangiges Ziel für die Auswahl von Technologien neuer Flugzeugkonzepte. Zur optimalen Reduktion von Betriebskosten können innovative Systeme kombiniert werden. Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung von verformbaren Flügelprofilen unter Anwendung von Verbundwerkstoffen. Diese ermöglicht die Auslegung eines Flügels, der lokale Profiländerungen zulässt und so für verschiedene Flugzustände eine möglichst lange laminare Umströmung gewährleistet. SARISTU (Smart Intelligent Aircraft Structures) ist ein Level 2 EU Projekt, das die Reduktion von Gewicht, operationellen Kosten und die Verbesserung der aerodynamischen Leistung von Flugzeugen zum Ziel hat. Das Projekt konzentriert sich auf drei spezifische Bereiche: Verformung der Flügelgeometrie selbstüberwachende Strukturen multifunktionale Strukturen Bisher durchgeführte Analysen des Lärms von verschiedenen Flugzeugen und deren Bewegungen haben sich auf die Auswertung von dba-werten (A-weigthed decibel) beschränkt. Ebenso beruhen hierauf auch alle potentiellen Verbesserungen. Die Auswertung dieser Werte liefert zwar Informationen über die Reduktion der Lautstärke, gibt den wahrgenommen Lärm aber nur unzureichend wieder, da einzelne Breitband- und Tonalkomponenten unter Umständen nicht erfasst werden. Am ILR wurde das Noise Prediction Tool entwickelt, das in der Lage ist, den Einfluss der psychoakustisch wichtigen Größen Tonalität und Lautheit und deren Einfluss auf unterschiedliche Flugverfahren auszuwerten. Hierdurch wird eine bessere Unterscheidung der Auswirkungen des Gesamtlärms verschiedener Flugzeuge und Flugverfahren ermöglicht. Bei der allgemein üblichen Verwendung von dba-werten kann es zu einer beträchtlichen Überschätzung von Lärmreduzierungs-maßnahmen kommen. Die Auswertung von synthetisch simuliertem Lärm zeigt beispielsweise, dass für verschiedene Triebwerksanordnungen Unterschiede in Lautheit und Tonalität nachgewiesen werden können. Vergleich von Lärmteppichen des Anflugs eines Airbus A Links: Standard Anflug; rechts: Continuous Descent Anflug Zur Erreichung der Ziele arbeiten 64 Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus der EU und EU-nahen Staaten zusammen. Bei der Integration verschiedener neuer Technologien ist es unerlässlich deren Einfluss auf Leistung und Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems Flugzeug zu überprüfen. Hierfür hat das ILR das Software-Tool MICADO (Multidisciplinary Integrated Conceptual Aircraft Design and Optimization) entwickelt, mit dem verschiedene Systeme modelliert und in das Gesamtsystem Flugzeug integriert werden können. Somit können komplexen Auswirkungen neuer Systeme auf den Flugbetrieb analysiert und der Mehrwert dieser Technologien quantifiziert werden. Tonalität aufgetragen über die Zeit bei dem Anflug einer Boeing Links: Standard Anflug; rechts: Continuous Descent Anflug Flugzuglärmforschung Flugzeuglärm und seine Auswirkungen sind ein ernsthaftes Problem für Anwohner von Flughäfen. Eine Lärmreduzierung kann nicht nur an der Quelle, z.b. durch neue oder verbesserte Triebwerke, sondern auch durch lärmmindernde Flugverfahren erreicht werden. Die bisherigen Analysen haben sich vor allem auf möglichst niedrigere Dezibelwerte und daraus gebildete gewichtete Durchschnittswerte konzentriert. Solche Durchschnittswerte können allerdings Komponenten der ganzen Charakteristik des Flugzeuglärms, wie z.b. dem tonalen Anteil, verbergen. Die diesbezüglich aktuelle Forschung am ILR basiert auf den Ergebnissen des interdisziplinären Projekts zur Modellierung und Simulation von Flugzeuglärm Virtual Air Traffic System Simulation (VATSS). Durch diese Forschung hat das ILR Kompetenzen erlangt, die über die Auswertung der derzeitigen durchschnittsbasierten Parameter hinausgeht. 201

202 Ausgewählte Veröffentlichungen Lammering, Tim; Franz, Katharina; Risse, Kristof; Hörnschemeyer, Ralf; Stumpf, Eike: Aircraft Cost Modeling for Preliminary Design Synthesis; In: 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition : January 2012, Nashville, Tennessee. - Reston, Va. : AIAA, ISBN: , AIAA , S./Art.: 21 S. Lammering, Tim; Anton, Eckhard; Risse, Kristof; Franz, Katharina; Hoernschemeyer, Ralf: Influence of Offdesign Performance on Design Synthesis of Laminar Aircraft; In: Journal of Aircraft (2012) 5, S./Art.: Franz, Katharina; Lammering, Tim; Risse, Kristof; Anton, Eckhard; Hoernschemeyer, Ralf: Economics of Laminar Aircraft Considering Off-Design Performance; In: 8th AIAA Mutlidisciplinary Design Optimizations Specialist Conference, April 2012, Honolulu, Hawaii, Wolf, Claus Christian; Hörnschemeyer, Ralf: Tomographic Particle Image Velocimetry Measurements in a Bluff-Body Wake Flow; In: AIAA journal (2012) 12, S./Art.: Sahai, Abhishek Kumar; Anton, Eckhard; Stumpf, Eike; Wefers, Frank; Vorländer, Michael: Interdisciplinary Auralization of Take-off and Landing Procedures for Subjective Assessment in Virtual Reality Environments; In: 18th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (33rd AIAA Aeroacoustics Conference), 4 6 June 2012, Coloardo Springs, USA. - AIAA, 2012, S./ Art.: 16 S. Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

203 Institut für Allgemeine Mechanik Forschungsschwerpunkt Methodenentwicklung und mehrachsige experimentelle Untersuchung zur Bestimmung von: Belastungsgrenzen von Strukturen und Werkstoffen Finite Elemente Berechnungen von Optimierungsproblemen technische Anwendungen im Maschinenwesen und Druckbehältebau. Modellierung von Verbundwerkstoffen: Theoretische und numerische Homogenisierungstechniken Versagen von Verbundwerkstoffen 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 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. (UA) Dieter Weichert IAM - Institut für Allgemeine Mechanik Templergraben Aachen Tel.: / Fax: / weichert@iam.rwth-aachen.de Studienrichtungen Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen sowie 15 weitere Studiengänge Schwerpunkte Statik, Festigkeitslehre, Dynamik, Strukturmechanik, Biomechanik, Grenzlastanalyse, Smart Structures, Verbundwerkstoffe Personal 5 Professoren, 1 Obering./-innen, 16 wiss. Mitarbeiter/-innen, 14 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 150 stud. Mitarbeiter/-innen Hochtemperatur-Werkstoffmechanik (FZ Jülich): Charakterisierung und Optimierung von Wärmedämmschichtsystemen für Gasturbinen Entwicklung höchstwarmfester Stähle sowie von Höchstleistungs-Al- Legierungen für Verbrennungsmotorkolben keramische Membranwerkstoffe für Kraftwerke mit CO2-Sequestration. 203

204 Ausgewählte laufende Projekte Einspielverhalten von Strukturen Bauelemente aus Verbundwerkstoffen finden eine breite Anwendung im Maschinenbau und Bauingenieurwesen. Die Bestimmung der Belastungsgrenzen über den elastischen Bereich hinaus ist dabei eine entscheidende Aufgabe. In Verbindung mit der Homogenisierungtheorie, der Grenzlast- und Einspieltheorie (Limit and Shakedown Analysis) kann die Beanspruchbarkeit der heterogenen Strukturen abgeschätzt werden. Diese Vorgehensweise lässt sich auch auf die Frage des lokalen Versagens durch Materialschädigung übertragen. Einheitszelle Biomechanik In der Forschungsgruppe Biomechanik steht die Optimierung von regenerativem Weichteilgewebeersatz im Mittelpunkt. Hierzu ist die Entwicklung theoretischer Modelle erforderlich, die die mechanisch-biologischen Wechselwirkungen der zellulären Materialien einbeziehen. Basierend auf dieser Modellbildung können die Evolutionsprozesse über einen bestimmten Kultivierungszeitraum numerisch simuliert werden. Zur experimentellen Validierung dieser berechneten Resultate werden Bioreaktoren entwickelt, die eine dynamische Stimulation von Gewebeproben unter Kultivierungsbedingungen zulassen. Hierzu werden Bioreaktoren für Knorpel, Bandscheiben und Membranen mit Zellstrukturen entwickelt, die unter möglichst physiologischen Bedingungen über einen mehrwöchigen Zeitraum gelagert werden. Hierzu können Experimente in dazu entwickelten Bioreaktoren unter zyklischer Druckbelastung durchgeführt werden. Um möglichst physiologische Belastungsbedingungen zu erzeugen, können außerdem in einem Knieprüfstand mit künstlichen Kniegelenken überlagerte Belastungen aus Stauchung, Roll-Gleit- sowie Torsionsbewegungen erzeugt werden. Druckprüfbioreaktor (CompReac) Biaxiale Spannungsverteilungen Knieprüfbioreaktor (KneeReac) 204

205 Ausgewählte Veröffentlichungen 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 , , 2012 Chen, M.; Hachemi, A.; Weichert, D.: Shakedown analysis of periodic composites with kinematic hardening material model. Proc. Appl. Math. Mech.: 12, (2012). Stoffel M., Yi J.H., Weichert D., Zhou B., Nebelung S., Müller-Rath R., Gavenis K.: Bioreactor cultivation and remodelling simulation for cartilage replacement material, Medical Engineering & Physics 34, 56-63, Chen, M.; Hachemi, A.; Weichert, D.: Limit loads for structural elements made of heterogeneous materials. Proc. ASME 2012, Pressure Vessels & Piping Division Conference, PVP2012, July 15-19, Toronto, Ontario, 2012 Stoffel M., Zhou B., Weichert D.: Entwicklung von Finite Elemente Modellen für Knorpelersatzmaterial, Der Orthopäde 41, , Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

206 Aachener Verfahrenstechnik Chemische Verfahrenstechnik Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling AVT.CVT - Aachener Verfahrenstechnik Chemische Verfahrenstechnik Turmstraße Aachen Tel.: / Fax: / secretary.cvt@avt.rwth-aachen.de Studienrichtungen Verfahrenstechnik, Umweltingenieurwissenschaften Schwerpunkte Membrantechnik, Chemische Verfahrenstechnik, Umweltschutz Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 34 wiss. Mitarbeiter/-innen, 17 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 40 stud. Mitarbeiter/-innen 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: Sustainable Processes (SusPro) Electrons to Chemicals (e2chem) Physics of Fouling (PoF) Adaptive, interactivemembranes (Adact) In allen Forschungsfeldern finden sowohl Grundlagenforschung als auch Anwendungsstudien im Labormaßstab statt. Unter SusPro fallen Projekte wie die Entwicklung eines neuen Enthalpietauschers für die Gebäudeklimatisierung, das Upgrading von Biogas, die Entwicklung und Untersuchung von neuen, umweltfreundlicheren Verfahren für die Wasseraufbereitung oder die Verarbeitung von nachwachsenden Rohstoffen mittels Elektrodialyse. Die e2chem-gruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Technologien zur Synthese von Plattform- und Feinchemikalien unter Nutzung von elektrischem Strom, bevorzugt aus regenerativen Quellen. Ein weiteres, damit verwandtes Forschungsgebiet ist die Entwicklung neuartiger Energiespeichersysteme für regenerative Energie. In der PoF-Gruppe werden die physikalischen Grundlagen des Foulings mit optischer Analyse und präziser Kontrolle der Filtrationsbedingungen untersucht. Unter Fouling versteht man die Bildung einer Deckschicht auf der Oberfläche einer Membran während der Filtration. Dieses Phänomen beeinträchtigt die Filtrationsleistung erheblich. Vielfältige, häufig energieintensive Maßnahmen werden ergriffen, um diesen Effekt zu verhindern. Ziel der Forschung der PoFGruppe ist es, das komplexe Zusammenspiel aus Kolloiden, Strömungen und Membranoberflächen zu verstehen. Adact ist eine Fusion aus Adaption und Interaction. In dieser Gruppe werden Membranen hergestellt und untersucht, deren Funktionalität über das Filtern durch normale Poren hinausgeht. Diese neuartigen Membranen ändern ihr Funktionsprinzip gezielt durch Wechselwirkungen mit der Umgebung. 206

207 Ausgewählte laufende Projekte Die Herausforderung moderner Verfahrenstechnik ist die Entwicklung von Prozessen, die wirtschaftliche, energetische und umweltpolitische Aspekte gut vereinen. Interessant für die Forschung sind daher zum einen Prozesse mit großen Volumenströmen und hohem Energieaufwand, sei es in der Wasseraufbereitung oder der petrochemischen Industrie, zum anderen aber auch die Entwicklung von effizienten Methoden zur Aufbereitung von Stoffströmen, die besonders toxische oder teure Chemikalien enthalten. Solche Prozesse lassen sich häufig durch den Einsatz von Membrantechnik optimieren. Ein wichtiger großtechnisch umgesetzter Einsatzbereich von Membrantechnik ist die Wasseraufbereitung. Ein häufiges Problem bei der Ultrafiltration von Oberflächenwasser ist die sich bildende Foulingschicht auf der Feedseite der Membran. Regelmäßige Permeatrückspülung der Membran ist bisher die verbreitetste Methode zur Abtragung der Foulingschicht. In der Arbeitsgruppe von Prof. Wessling wurde eine neue und ebenso wirksame Methode zur Foulingverminderung entwickelt. Durch Öffnen und abruptes Schließen eines permeatseitigen Ventils werden Druckschwankungen im Membranmodul erzeugt, welche zur Abtragung der Foulingschicht führen und allgemein als water hammer bekannt sind. Filtrationszyklen bei einem Fluss von 185 l/(m² h). Das Ventil ist dabei intervallweise 0,75 s lang geschlossen und 10 s geöffnet. Für die Studie wurde Oberflächenwasser im cross flow (5 %) Betrieb durch Hohlfaser-Ultrafiltrationsmembranen filtriert. Die Filtrationsexperimente wurden oberhalb des kritischen Flusses (>125 l (m²h)-1) durchgeführt. Die Ergebnisse belegten, dass der periodische Ventilverschluss das Fouling reduziert und die Leistungsfähigkeit der Filtration verbessert. Weiterhin zeigte die Studie, dass der Effekt vom Fluss und der Schaltfrequenz des Ventils beeinflusst wird. Die Dauer, in der das Ventil geschlossen ist, wirkt sich hingegen nicht auf die Filtration aus. Die Verminderung des Foulings ist somit ausschließlich eine Folge der erzeugten Druckschwankungen. Hochfrequente Messungen des dynamischen Drucks zeigten, dass die Druckschwankungen 0,1 bar betragen. Zudem wurde bestätigt, dass die Verwendung höherer Flüsse in höheren Druckschwankungen resultiert was im Einklang mit der water hammer Theorie steht. Außerdem gezeigten die Experimente, dass der water hammer bei höheren Flüssen wirksamer in Bezug auf die Foulingverminderung ist. Hochfrequenz Messungen des dynamischen Drucks während der Filtrationsversuche für Flüsse von 125 bis 300 l/(m² h). Das Ventil ist dabei intervallweise 0,75 s lang geschlossen und 10 s geöffnet. 207

208 Die Trennung von gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen ist einer der teuersten und energieaufwändigsten Trennprozesse in der petrochemischen Industrie. Olefin-Paraffin-Paare mit gleicher Kettenlänge werden üblicherweise durch Destillation getrennt. Da sich die Dampfdrücke der beiden Komponenten nur geringfügig unterscheiden, sind für diese Trennung aufwändige mehrstufige Destillationsprozesse in riesigen Kolonnen nötig. Aus wirtschaftlichen und umweltpolitischen Gesichtspunkten wäre daher ein Verfahren sehr erstrebenswert, das Olefin-Paraffin-Mischungen wie Propen und Propan mit geringerem Energieaufwand trennt. Für diese Trennaufgabe wurde an der AVT.CVT ein neuartiger Membrantyp entwickelt. Poröse, mehrschichtige Trägerstrukturen werden hierzu mit dem Salz [Ag]+[Tf2N]- gefüllt, das bei Kontaktierung mit Propen einen flüssigen Komplex bildet. Die so entstandene ionische Flüssigkeit füllt die Poren des Trägers ganz aus. Das Gasgemisch kann also nur durch diesen Flüssigkeitsfilm auf die andere Seite der Membran gelangen. Zusätzlich zu dem für beide Komponenten möglichen Transport durch Diffusion, kann Propen auch durch einen Carrier-Mechanismus in dem Salz-Propen- Komplex transportiert werden. Durch diesen schnellen und sehr selektiven Transportmechanismus entsteht eine Membran, die in Bezug auf Selektivität und Fluss neue Maßstäbe setzt. Wenn die Gasatmosphäre nicht genügend Propen für die Komplexierung enthält rekristallisiert die ionische Flüssigkeit und in der Membran entstehen Defekte. Durch einen Selbstheilungsprozess bei erneutem Kontakt mit Propen wird die Membran wieder vollständig regeneriert. Bei Auslegung von Apparaten zur Extraktion besteht ein Hauptziel darin, eine möglichst große Kontaktfläche zwischen zwei nicht mischbaren Stoffen zu erzeugen, damit der Übergang der gelösten Stoffe verbessert wird. Üblicherweise erhält man diese Austauschfläche indem man eine Phase in die andere dispergiert, zum Beispiel als Tröpfchen. Im Gegensatz dazu erzielen Membrankontaktoren eine stabile Trennung der Phasen über eine poröse oder dichte Membran und ermöglichen so einen größeren Bereich hydraulischer Betriebsbedingen abzufahren. Aufgrund der auf das Volumen bezogenen sehr großen Stoffaustauschfläche und der damit einhergehenden höheren Stoffaustauschkoeffizienten können membranbasierte Apparate effizienter als herkömmliche betrieben werden. An der AVT.CVT wird im Rahmen von Anwendungen im Bereich der Extraktion an der Entwicklung von 4-End-Spiralwickelmodulen geforscht. In diesem Anwendungsbereich werden verstärkt Membranspacer eingesetzt, die den Druckverlust, Massentransport und die Vermischung im System verbessern sollen. Zusätzlich wird an der Entwicklung verschiedener Permeatkanäle gearbeitet, die in Bezug auf Stofftransport-limitierenden Oberflächenreaktionen untersucht werden. Die aus der experimentellen Arbeit gewonnenen Erkenntnisse wurden zum Design eines 4-End-Spiralwickelmoduls genutzt, das kaum Totvolumina und geringere Vermischungsstörungen aufweist. Diese neuen Module wurden anschließend erfolgreich in der Reaktivextraktion von Phenolen aus wässrigen Lösungen angewendet. Syntheseschritte bei der Herstellung neuartiger Membranen aus ionischen Flüssigkeiten Gleich-/ Gegenstrom- (links) und Kreuzstrom- (rechts) Flussbild Die Richtung des Feedstroms kann dabei auch umgekehrt werden. 208

209 Ausgewählte Veröffentlichungen C. Bayer et al.: On the Design of a 4-End-Spiral-Wound L/L Extraction Membrane Module, Ind. Eng. Chem. Res., 52 (2013) F. Broens et al.: Water hammer reduces fouling during natural water ultrafiltration, Water Res., 46 (2012) F. Pitsch et al.: An Adaptive Self-Healing Ionic Liquid Nanocomposite Membrane for Olefin-Paraffin Separations, Adv. Mater., 24 (2012) Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

210 Biotechnologie Systembiotechnologie Forschungsschwerpunkt Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Wolfgang Wiechert Forschungszentrum Jülich Institut für Bio- und Geowissenschaften IBG-3 Biotechnologie Themenbereich: Systembiotechnologie Wilhelm-Johnen-Straße Jülich Tel.: / Fax: / 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 Das Institut IBG-1: Biotechnologie am Forschungszentrum Jülich arbeitet an der Entwicklung biotechnologischer Produktionsprozesse für Grundund Fein-Chemikalien, Pharmazeutika und Proteine. Das Themengebiet Systembiotechnologie unter Leitung von Prof. Wiechert nutzt eine systembiologische Messplattform (Metabolomics, Fluxomics, Proteomics) in Verbindung mit Ingenieuransätzen (Prozesstechnik, Automatisierung, Modellbildung), um eine zielführende Prozessentwicklung in kürzeren Zeiträumen zu ermöglichen. In der Lehre wird das Themenfeld der Modellierung, Simulation und Datenauswertung in der Systembiologie im Rahmen des Aachener AVT-Lehrstuhls für Computational Systems Biotechnology vertreten. Am Jülicher Institut werden sowohl ganzzellbasierte als auch zellfreie Ansätze verfolgt. Als zentrale Werkzeuge werden quantitative bioanalytische Methoden und mathematische Modelle sowohl zur detaillierten Charakterisierung der komplexen biochemischen Netzwerke in einer lebenden Zelle als auch für die Untersuchung ganzer Bioprozesse eingesetzt. Die rationale Entwicklung von Enzymtoolboxen für die kombinatorische Biosynthese erschließt neue chirale Moleküle für die industrielle Biotechnologie bis hin zur zukünftigen Etablierung synthetischer Stoffwechselwege (Synthetische Biologie). Komplementiert werden die Arbeiten durch die Entwicklung mikrofluidischer Apparaturen für die Einzelzellanalyse, wozu neuartiger Fluoreszenzsensoren eingesetzt werden. 210

211 Ausgewählte laufende Projekte Einzelzelluntersuchungen in Picoliter-Bioreaktoren Die am IBG-1 entwickelten Picoliter-Bioreaktoren wurden zur Kultivierung von verschiedenen Organismen eingesetzt. Insbesondere Corynebacterium glutamicum zeigte auffallend hohe Wachstumsraten. Im direkten Vergleich mit konventionellen Schüttelkolben und Bioreaktoren, konnte unter kontinuierlichen Durchflussbedingungen im Mikrochip, die 1,5 fache Wachstumsgeschwindigkeit gemessen werden (vgl. Biopressentwicklung). In der Biotechnologie ist Zellwachstum ein wichtiger Performanceindikator und daher für die Effizienz biotechnologischer Produktionsprozesse von entscheidender Bedeutung. Wachstum von Corynebacterium glutamicum Wildtyp in verschiedenen Kultivierungs-Skalen auf definiertem Glucose-Medium Modellierung und Simulation von Chromatographieprozessesn Die in den letzten Jahren mit dem in Jülich entwickelten Zonalen Ratenmodell (ZRM) für die Membranchromatographie gewonnenen Erkenntnisse zu inhomogenen Flussverteilungen in Kapseln für die Membranchromatographie wurden mit Hilfe von MRI-Messungen und CFD-Simulationen bestätigt und untermauert. Dabei hat sich gezeigt, dass die Trennleistung von sehr unterschiedliche Faktoren beeinflusst wird, abhängig von der Modulgröße (Labor oder Produktion), der internen Konfiguration (axialer oder radiale Strömungsführung) und der Prozessbedingungen (bindende oder nicht bindende Bedingungen). Diese Einflüsse konnten umfassend systematisiert, quantifiziert und experimentell validiert werden, so dass die entwickelten Modelle nun für die Vorhersage von Skalenwechseln und Designänderungen verwendet werden können. Picoliter-Bioreaktor für die Kultivierung von Mikroorganismen auf Einzelzellniveau. A) Inokulationsphase; B) Wachstumsphase und C) Überlauf Phase Quantitative Metabolomanalyse Die in den vergangenen Jahren kontinuierlich weiterentwickelten und optimierten analytischen Methoden zur Quantifizierung intrazellulärer Metabolite wurden erstmals im Rahmen einer größeren Studie zur Messung extrazellulärer Metabolite (sogenanntes Exometabolom) eingesetzt. Hierbei zeigte sich bei allen untersuchten Organismen eine starke Anhäufung von Zentralstoffwechsel-Intermediaten und Aminosäuren während der Kultivierung im Bioreaktor unter Glukose-Überschussbedingungen. Als wesentliches Ergebnis wurde dabei ein neues Stoffwechsel-Phänomen abgeleitet, der Erweiterte Überfluss-Metabolismus. Daraus ergibt sich eine Reihe von direkten Konsequenzen sowohl für die intrazelluläre Metabolit-Quantifizierung als auch für die isotopenbasierte Stoffflussanalyse. MRI-Messung der asymmetrischen Struktur im Inneren einer Kapsel für die Membran-Chromatographie (links) und CFD-Simulation der resultierenden Strömungsverhältnisse in dieser Kapsel (rechts). Metabolische 13C Stoffflussanalyse Das Softwaresystem 13CFLUX2 für die Modellierung, Simulation und Auswertung von Isotopen-Markierungsexperimenten wurde der wissenschaftlichen Community zur Verfügung gestellt. Die Software wird bereits in 40 akademischen Arbeitsgruppen und zwei Unternehmen eingesetzt. Mit mehreren Zeilen Code ist 13CFLUX2 derzeit das umfangreichste und performanteste System dieser Art. Die Grundlagen der 13C-basierten SFA sowie der Umgang mit 13CFLUX2 wurden im Second Advanced Course on13c-based Metabolic Flux Analysis vermittelt, an dem 14 Teilnehmer aus sechs Ländern (incl. USA) teilnahmen. Optimale Stoffflussverteilung für die anaerobe Bildung von Succinat mit C. glutamicum 211

212 Ausgewählte Veröffentlichungen Francis, P., von Lieres, E., Haynes, C.: Zonal rate model for stacked membrane chromatography part II: characterizing ion-exchange membrane chromatography under protein retention conditions Biotechnology & Bioengineering, 109: (2012) Paczia, N., Nilgen, A., Lehmann, T., Gätgens, J., Wiechert, W., Noack, S.: Extensive exometabolome analysis reveals extended overflow metabolism in various microorganisms Microbial Cell Factories, 11(1): 122 (2012) Grünberger, A. ; Paczia, N. ; Probst, C. ; Schendzielorz, G.*; Eggeling, L.*; Noack, S. ; Wiechert, W. ; Kohlheyer, D.: A disposable picolitre bioreactor for cultivation and investigation of industrially relevant bacteria on the single cell level Lab on a chip 12, (2012) Grünberger, A.; van Ooyen, J.*; Paczia, N.; Rohe, P.; Schiendzielorz, G.*; Eggeling, L.*; Wiechert, W.; Kohlheyer, D.; Noack, S.: Beyond Growth Rate 0.6: Corynebacterium glutamicum Cultivated in Highly Diluted Environments Biotechnology and Bioengineering, in press (2012) Droste, P. ; Wiechert, W. ; Nöh, K.: Semi-automatic drawing of Metabolic networks Information Visualization 11, (2012) Drittmittelausgaben 2012 Drittmittelvolumen:

213 Lehrstuhl und Institut für Kraftwerkstechnik Dampf- und Gasturbinen Forschungsschwerpunkt 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 eine Reihe leistungsstarker Prüfstände, in denen Verbrennungsprozesse in Gasturbinenbrennkammern sowie Strömungsund Wärmeübergangsphänomene in Dampf- bzw. Gasturbinen, zum Beispiel Sekundärströmungen im Schaufelkanal und Leckageströmungen in den Labyrinthen von Deckbandbeschaufelungen sowie deren Interaktion, untersucht werden können. Ziel dieser Untersuchungen ist die Optimierung der Turbinenaerodynamik und die Charakterisierung von Verlustmechanismen. Ebenso sind Kondensationsvorgänge in Niederdruckdampfturbinenstufen Gegenstand theoretischer und experimenteller Untersuchungen. 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. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Wirsum IKDG - Lehrstuhl und Institut für Kraftwerkstechnik Dampf- und Gasturbinen Templergraben Aachen Tel.: / Fax: / office@ikdg.rwth-aachen.de Studienrichtungen Bachelor - Berufsfeld Energietechnik, Master - Energietechnik mit Vertiefungen Kraftwerkstechnik und Turbomaschinen /Strahlantriebe Schwerpunkte Stationäre Gasturbinen, Dampfturbinen, Kraftwerkstechnik, Kraftwerksprozesse, Abgasturbolader Personal 1 Professor, 1 Obering./-innen, 10 wiss. Mitarbeiter/-innen, 16 nichtwiss. Mitarbeiter/-innen, 13 stud. Mitarbeiter/-innen 213

214 Ausgewählte laufende Projekte AG-Turbo 2020 Neuartige Seitenwandprofile zur Wirkungsgradsteigerung Eine vielversprechende Maßnahme zur Optimierung von Hoch- und Mitteldruckdampfturbinen mit sog. Deckbandbeschaufelungen liegt in der Konturierung der Seitenwand des Strömungskanals. Eine dreidimensionale Anpassung der geometrischen Form der Turbinengitter und der Seitenwände hat ein erhebliches Potenzial zur Verminderung von Sekundärströmungsverlusten und Mischungsverlusten durch die Leckage-/Hauptströmungs- Interaktion. Die gezielte Auslegung einer Seitenwandkonturierung und der Geometrieform des Schaufelblattes bedarf verbesserter numerischer Simulationsverfahren, deren Modelle durch intensive experimentelle Untersuchungen validiert weren müssen. Die aerodynamischen Verluste werden in großem Ausmaß von Sekundärströmungen hervorgerufen. Bei diesen handelt es sich um stark dreidimensional geprägte Strömungsvorgänge, deren Darstellung zur Optimierung der Beschaufelungen einen großen Beitrag leistet. Im Rahmen des Projektes soll eine quantitative Bewertung der Verbesserung der Strömung im Hinblick auf die nachstehend genannten Ziele durch einen Vergleich von herkömmlichen mit seitenwandkonturierten Beschaufelungen erfolgen: Reduzierung der Strömungsverluste in den Kavitäten der Dichtlabyrinte der Deckbänder Reduzierung der Mischungsverluste von Leckage- und Hauptströmung Reduzierung der Strömungsverluste im Hauptströmungskanal, insbesondere im seitenwandnahen Bereich Ziel 2 - Projekt Simulationsunterstützte Betriebsoptimierung von Solarturmkraftwerken Das IKDG ist im Rahmen des SiBops-Projekts an der Entwicklung eines Betriebsassistenzsystems für das Solarturmkraftwerk in Jülich beteiligt. Das effiziente Fahren solcher Kraftwerke stellt selbst erfahrene Kraftwerksfahrer vor große Herausforderungen. Es ist nicht offensichtlich welche Fahrweise unter den jeweils aktuellen Bedingungen einen effizienten und wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht. Um den Kraftwerksfahrer bei seinen Entscheidungen hinsichtlich der aktuell bestmöglichen Fahrweise zu unterstützen, soll ein Betriebsassistenzsystem entwickelt und installiert werden. Hierzu werden auf Basis einer dynamischen Simulation des Kraftwerks mit Hilfe von Optimierungsalgorithmen definierte Zielfunktionen optimiert. Als einfache Beispiele für solche Zielfunktionen können der elektrische Wirkungsgrad des Kraftwerks sowie der über den Stromverkauf erzielte monetäre Gewinn genannt werden. Das Betriebsassistenzsystem macht entsprechend der gewählten Zielfunktion einen Vorschlag zur hierfür optimalen Betriebsweise des Kraftwerks, gibt dem Kraftwerksfahrer also die erforderlichen Stelleingriffe vor. Schema eines Solarturmkraftwerks mit Wasser/Dampf-Kreislauf Versuchsturbine zur Untersuchung von Strömungsphänomenen in 3D- Deckbandbeschaufelungen 214

215 Erforschung der Verbrennungsinstabilitäten bei der Vormischverbrennung Aufgrund der gestiegenen Anforderungen an Gasturbinen hinsichtlich des Emissionsverhaltens und der effizienteren Nutzung des Brennstoffs wurden die Verbrennungsverfahren im Laufe der letzten Jahrzehnte dahingehend verbessert. Als Schlüssel dazu dient die Absenkung der Verbrennungstemperatur durch die magere Vormischverbrennung bei hohem Luftüberschuss. Gleichzeitig wurden die Verbrennungssysteme dahingehend optimiert, in einem kleinen Bauvolumen große Energiemengen umzusetzen. Beides führt dazu, dass auftretende Instabilitäten in den Verbrennungsvorgängen aufgrund von Inhomogenitäten in der Zuströmung von Luft und Brennstoff und in der Mischung zu einer akustischen Anregung des Systems und aufgrund der hohen Energiedichten zu sehr hohen Schalldruckamplituden führen können. Die Neigung zu den thermoakustisch induzierten Verbrennungsinstabilitäten macht es notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, die in diesen Mechanismus eingreifen und das System stabilisieren. Das IKDG betreibt dazu einen Vormischbrennkammer-Prüfstand kleiner Leistung (Pth < 100 kw), an dem diese Phänomene untersucht werden. Ziel dieser Forschung ist es, das Systemverhalten genau zu verstehen, die Ursachen für das Auftreten von Brennkammerschwingungen in vorgemischten Verbrennungssystemen zu identifizieren und Methoden zu entwickeln, die diese gezielt zu beeinflussen. Ein vielversprechender Ansatz ist es, der Brennstoffzufuhr durch eine Aktorik ein zeitliches Muster aufzuprägen, was in einer gezielten Schwankung der Brennstoff-/Luftmischung und somit in der Wärmefreisetzung in der Brennkammer resultiert. Es konnte damit bereits gezeigt werden, dass es zu einer signifikanten Reduktion der Schalldruckamplitude und zu einer Verbesserung des Emissionsverhaltens kommt. Brennkammerprüfstand zur Untersuchung von Verbrennungsinstabilitäten 215