Abgeschlossene Forschungsprojekte

Korrelative Messtechnik (2018-2021)

Die Anzahl der Satelliten, die in den Orbit gebracht werden, ist in den vergangenen Jahren deutlich gestiegen. Das hängt unter anderem damit zusammen, dass unser Leben immer stärker von satellitenbasierten Produkten und Diensten – wie Internet und Mobilfunk – abhängt. Fällt eines der Satellitenbauteile aus, ist meist der gesamte Satellit unbrauchbar und treibt als Weltraumschrott umher. Deshalb ist es wichtig, die eingebauten Bauteile sorgsam unter Weltraumbedingungen zu testen. Dies geschieht z. B. durch den Einsatz von Thermal-Vakuumkammern welche neben dem Vakuum die im Weltraum vorherrschenden Temperaturen nachbilden können. Wünschenswert in Sinne der Nachhaltigkeit ist eine Reparatur defekter Bauteile im Weltraum. Hierzu muss aber das genaue Zusammenspiel, vor allem das Ausdehnungsverhalten, der einzelnen Komponenten bekannt sein. Um das Ausdehnungsverhalten exakt zu bestimmen, müssen Messungen der Bauteile bei den entsprechenden Lagerbedingungen durchgeführt werden. Durch den Abgleich der Messungen mit Simulationen kann in einem weiteren Schritt der Messaufwand für weitere Teile minimiert werden.

Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Ausdehnung und Belastung von Satellitenbauteilen unter Weltraumbedingungen vorauszusagen, zu messen und verifizieren zu können. Zum einen soll die genaue Temperaturausdehnung innerhalb der Vakuumkammer bestimmt werden. Zum anderen sollen in einem ersten Schritt die Gesamtverformung und die Temperaturfeldausdehnung homogener Einzelteile abgebildet und gemessen werden. Hierzu wird ein geeignetes Messsystem zur Darstellung von Verformungen im Mikrometerbereich durch den Einsatz eines 3D-Scanners entwickelt und validiert. Anschließend werden aus den erzielten Ergebnissen Konstruktionsregeln zur optimalen Bauteilgestaltung unter Weltraumbedingungen abgeleitet.

Zur Umsetzung kooperiert der Umwelt-Campus mit dem rheinland-pfälzischen Unternehmen JUST Vakuum Technik aus Landstuhl, das sich mit dem Bau von Weltraumsimulationskammern beschäftigt, also Thermal -Vakuumkammern welche neben dem Vakuum die im Weltraum vorherrschenden Temperaturen (im Bereich von ca. -175 bis +200°C) nachbilden können. In einem ersten Schritt wird am Umwelt-Campus ein kleiner Versuchsaufbau entworfen und mit den zur Verfügung stehenden 3D Scansystemen Untersuchungen durchgeführt. Zur Erzeugung von Weltraumbedingungen (Vakuum, Temperaturen) wird das Projekt von Prof. Trapp unterstützt. In einem nächsten Schritt werden die gewonnen Kenntnisse auf eine Thermal–Vakuumkammer der Firma Just übertragen und daran Messungen durchgeführt.

Konsortium: Hochschule Trier Umwelt-Campus Birkenfeld, Just Vacuum GmbH
Laufzeit: 01.02.2018 - 31.01.2021
Gefördert durch: Ministerium für Wissenschaft, Weiterbildung und Kultur, Rheinland Pfalz
Fördersumme: 151.371,75 €
Verantwortlich: Prof. Dr. Michael Wahl

Our Common Future: Können nachhaltige Produkte mit Hilfe additiver Fertigung erzeugt werden? (2018-2020)

Das durch die Robert-Bosch-Stiftung geförderte Projekt behandelt die Forschungsfrage: „Können nachhaltige Produkte mit Hilfe additiver Fertigung (3D-Drucker) erzeugt werden?“ Hierzu ist geplant, die Schüler/Schülerinnen des Johannes-Kepler-Gymnasiums in Lebach durch aktuelle Nachhaltigkeitsforschung praxisnah zu begeistern. Durch das Ausdrucken von Alltagsprodukten mit recyceltem Kunststoffmaterial sollen die Schüler/Schülerinnen wissensbasierte Antworten erarbeiten.

Hierzu werden zuerst verschiedene Kunststoffe (z.B. Abfälle aus dem 3D-Druck, Verpackungsmaterialien) zerkleinert, aufgeschmolzen und zu Kunststoffmaterial (Filament) für den 3D-Druck extrudiert. Durch die Variation des Anteils an recyceltem und neuem Material werden den Schülern/Schülerinnen in ihrer Forschung Möglichkeiten zur Beeinflussung der Produktionsmöglichkeiten aufgezeigt. Aus den verschiedenen Mischungen werden u.a. Zugproben hergestellt und Materialparameter experimentell bestimmt und ausgewertet.

So wird untersucht, ob es möglich ist, z. B. PET Flaschen für den 3D-Druck zu recyceln. Anschließend werden mit neuem und recyceltem Material Ersatzteile durch Anwendung von 3D-Scan und 3D-Druck hergestellt. Hierzu werden defekte Teile mit den vorhandenen 3D-Scannern erfasst, nachbearbeitet und als Ersatzteile ausgedruckt. Abschließend werden die Erkenntnisse anschaulich zusammengefasst und der Öffentlichkeit präsentiert.

Konsortium: Hochschule Trier Umwelt-Campus Birkenfeld, Johannes-Kepler-Gymnasium, Lebach
Laufzeit: August 2018 – Juni 2020 
Gefördert durch: Robert Bosch Stiftung GmbH im Programm Our Common future 
Fördersumme: 18.850 €
Verantwortlich: Prof. Dr. Michael Wahl

Next Generation Biofilm - die "Rose von Jericho" der Biotechnologie (2015-2018)
Additiv gefertigter Stegplattenreaktor im Labormaßstab
Additiv gefertigter Stegplattenreaktor im Labormaßstab

Projektverantwortlicher: Prof. Dr. Michael Wahl

Kooperationspartner:

  • Dr. Michael Lakatos; Hochschule Kaiserslautern
  • Prof. Dr. Peter Groß; Hochschule Kaiserslautern
  • Prof. Dr. rer. nat. Ulber; Technische Universität Kaiserslautern
  • Prof. Dr. Timo Schmidt; Hochschule Augsburg
  • Peter Häfner, engage AG

Förderzeitraum:         10/2015 – 08/2018

Förderkennzeichen:   031B0068C

Mittelgeber:               Bundesministerium für Bildung und Forschung

Die Lebensmittelproduktion und Energie- sowie Wertstoffproduktion treten zunehmend in Konkurrenz (Teller-oder-Tank-Problematik). Eine der großen Zukunftsherausforderungen ist somit, die wachsende Nachfrage nach Nahrungsmitteln sowie Energie- und Wertstoffen bei geringem Ressourcenverbrauch von Agrarfläche, Energie und Wasser nachhaltig bereit zu stellen. Dabei kommen der nachhaltigen Produktion von Proteinen (Eiweiße), Lipiden (Fetten) und Kohlenhydraten (Zucker und Polysaccharide) durch Cyanobakterien, Mikroalgen oder Pflanzen zentrale Bedeutungen zu.

Cyanobakterien beherbergen z. B. einen enormen Pool an nachwachsenden Biopharmazeutika und Feinchemikalien. Dieses Potential wird jedoch kaum erschlossen, da bisherige Produktionsverfahren zu energie- und ressourcenintensiv sind.

Demgegenüber nutzt das Forschungsprojekt erstmals photosynthetisierende, austrocknungstolerante Biofilme (terrestrische Cyanobakterien) zur nebel-gesteuerten Produktion von bakteriellen Polysacchariden und Farbstoffen. Hierbei kommt eine ressourcen- und energieeffiziente Verfahrenstechnik zum Einsatz, die mittels einer neuartigen emersen Photobioreaktor-Generation (ePBR) verwirklicht wird. Die neue Systemlösung kombiniert dabei Vorteile der grünen- mit denen der weißen / industriellen Biotechnologie zur Optimierung eines um kosteneffizienteren, umweltfreundlicheren Produktionsverfahrens für Biopharmazeutika und Feinchemikalien.

Aufgabenschwerpunkt an der Hochschule Trier, Umwelt-Campus Birkenfeld war die konstruktive Weiterentwicklung der emersen Bioreaktoren.

Anforderungen, die das Wachstum der Cyanobakterien erfordert wurden durch die Projektgruppe systematisch untersucht und für den Reaktorbau am Umwelt-Campus im Reaktorbau umgesetzt. Hierzu zählen beispielsweise Strömungssimulationen zur gleichmäßigen Verteilung des Flüssigkeitsnebels in den Reaktoren.

Das Wachstum der Cyanobakterien ist direkt von der Aerosolversorgung abhängig. In Bereichen mit unzureichender Aerosolversorgung ist das Wachstum nicht oder nur limitiert möglich. Um die Eignung verschiedener Konzeptvarianten beurteilen zu können, ist die Kenntnis über das Verhalten des Aerosols im Reaktorinneren ein essentielles Kriterium. Die Simulationsmethoden wurden zunächst an einem einfachen Modell betrachtet und die Simulationsergebnisse mit realen Versuchsergebnissen verglichen und in einem nächsten Schritt auf komplexere Bauformen übertragen.

In weiteren Entwicklungsschritten wurden mehrere Konzeptvarianten ausgearbeitet, in Prototypen überführt und getestet. Bei der Herstellung der Prototypen kam insbesondere die Additive Fertigung zum Einsatz. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wurden Cyanobakterien in verschiedenen Reaktorformen getestet und z.B. Erntevorgänge untersucht.

Weitere Informationen zum Projekt:  https://www.next-biofilm.de/

Refabrikation (2014-2019)

Ressourceneffiziente Fertigung mechatronischer Systeme durch Refabrikation mit Hilfe von Assistenzrobotern

Refabrikation

Das in einer Kooperation zwischen dem Umwelt-Campus Birkenfeld, der SEW-EURODRIVE GmbH & Co KG sowie der Universität Luxemburg durchgeführte Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Entwicklung von Recyclingkonzepten und Refabrikationsverfahren zur ökonomischen und ökologischen Fertigung am Beispiel mechatronischer Antriebe. Bei der Untersuchung der Problemstellung stellten sich vor allem die Prozesse zur zerstörungsfreien Demontage als unwirtschaftlich heraus. Versuche die Demontage zu automatisieren scheiterten an der Varianz der Produktgestalt oder am unvorhersehbaren Produktzustand. Nur die zerstörungsfreie Demontage bietet den Vorteil eines höherwertigen Produktrecyclings und damit die Möglichkeit der ökonomischen und ökologischen Refabrikation.

Der Einsatz von Roboterassistenten soll die manuelle Arbeit pro Stück verringern, die Arbeitsplatzergonomie verbessern und damit Demontagekosten reduzieren. Dem Arbeiter werden höhere oder nicht automatisierbare Tätigkeiten der Wertschöpfung überlassen. Mit dem Ansatz der Mensch-Roboter-Zusammenarbeit lassen sich auch schwer bzw. nicht automatisierbare Teilprozesse der Demontage wirtschaftlich und prozesssicher umsetzen. Bei der Entwicklung des Roboterassistenten steht die Erarbeitung einer agentenbasierten Steuerung der Mensch-Roboter-Interaktion im Vordergrund. Hierfür werden semantische Modelle des Produktaufbaus entwickelt, die den Aufbau der mechatronischen Antriebe beschreiben. Durch die Modelle kann die Demontage formal grob geplant und vom Assistenzsystem als Prozessablaufprogramm genutzt werden. Anhand des formalen Ablaufs besitzt das Assistenzsystem einen Kontext zur Situation bzw. zur Aufgabe im momentanen Demontageschritt und kann hierzu zielgerichtet verschiedene Formen der Assistenz anbieten. Der Mensch entscheidet anhand des Produktzustands und nach seinen Wünschen über die Art der zu leistenden Assistenz. Damit die Zusammenarbeit effektiv funktioniert muss das Assistenzsystem weitgehend autonom handeln, indem es selbstständig vordefinierte Programmemodule zur Ausführung der Assistenz auswählt, parametriert und ausführt. Hierfür benötigt das System vielfältige Informationen, die ebenfalls in den semantischen Modellen zu finden sind.

Die Arbeit umfasst die Informationsfindung, -repräsentation und -verarbeitung im Bereich (Domäne) der Demontage sowie die Entwicklung von Softwareagenten, die auf Basis der erhoben Informationen das Roboterverhalten (also die Assistenz) zielgerichtet steuern. Ziel ist die Entwicklung von leistungsstärkeren Roboterassistenzsystemen.

Projektverantwortlicher: Prof. Dr. Wolfgang Gerke

Projekträger: Firma SEW Eurodrive, Bruchsal,  Drittmittelassistent  und Doktorand und Hiwi Mittel

Laufzeit: 01.01.2014 - 31.12.2019

Kontakt

Hochschule Trier, Umwelt-Campus Birkenfeld
Institut für Betriebs- und Technologiemanagement (IBT)
Campusallee 9925
55768 Hoppstädten-Weiersbach

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