Wireless communication networks already comprise an integral part of both the private and industrial sectors and are successfully replacing existing wired networks. They enable the development of novel applications and offer greater flexibility and efficiency. Although some efforts are already underway in the aerospace sector to deploy wireless communication networks on board spacecraft, none of these projects have yet succeeded in replacing the hard-wired state-of-the-art architecture for intra-spacecraft communication. The advantages are evident as the reduction of the wiring harness saves time, mass, and costs, and makes the whole integration process more flexible. It also allows for easier scaling when interconnecting different systems. This dissertation deals with the design and implementation of a wireless network architecture to enhance intra-spacecraft communications by breaking with the state-of-the-art standards that have existed in the space industry for decades. The potential and benefits of this novel wireless network architecture are evaluated, an innovative design using ultra-wideband technology is presented. It is combined with a Medium Access Control (MAC) layer tailored for low-latency and deterministic networks supporting even mission-critical applications. As demonstrated by the Wireless Compose experiment on the International Space Station (ISS), this technology is not limited to communications but also enables novel positioning applications. To adress the technological challenges, extensive studies have been carried out on electromagnetic compatibility, space radiation, and data robustness. The architecture was evaluated from various perspectives and successfully demonstrated in space. Overall, this research highlights how a wireless network can improve and potentially replace existing state-of-the-art communication systems on board spacecraft in future missions. And it will help to adapt and ultimately accelerate the implementation of wireless networks in space systems. / Drahtlose Kommunikationsnetzwerke sind sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich bereits ein fester Bestandteil und ersetzen erfolgreich bestehende drahtgebundene Netzwerke. Sie ermöglichen die Entwicklung neuer Anwendungen und bieten mehr Flexibilität und Effizienz. Obwohl in der Raumfahrt bereits einige Anstrengungen unternommen wurden, um drahtlose Kommunikationsnetzwerke an Bord von Raumfahrzeugen einzusetzen, ist es bisher noch keinem dieser Projekte gelungen, die moderne drahtgebundene Architektur für die Kommunikation innerhalb von Raumfahrzeugen zu ersetzen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Reduzierung des Kabelbaums spart Zeit, Masse und Kosten und macht den gesamten Integrationsprozess flexibler. Außerdem ist eine einfachere Skalierung möglich, wenn verschiedene Systeme miteinander verbunden werden. Diese Dissertation befasst sich mit dem Entwurf und der Implementierung einer drahtlosen Netzwerkarchitektur zur Verbesserung der Kommunikation innerhalb von Raumfahrzeugen, indem mit den seit Jahrzehnten in der Raumfahrtindustrie bestehenden Standards gebrochen wird. Das Potential und die Vorteile dieser neuartigen drahtlosen Netzwerkarchitektur werden bewertet und ein innovatives Design mit Ultrabreitbandtechnologie wird vorgestellt. Es wird mit einer Medium Access Control (MAC) Schicht kombiniert, die für Netzwerke mit niedriger Latenz und Determinismus ausgelegt ist und sogar missionskritische Anwendungen unterstützt. Wie das Wireless Compose-Experiment auf der Internationalen Raumstation ISS gezeigt hat, ist diese Technologie nicht auf Kommunikation beschränkt, sondern ermöglicht auch neuartige Positionierungsanwendung. Um die technologischen Herausforderungen zu meistern, wurden umfangreiche Studien zur elektromagnetischen Verträglichkeit, Weltraumstrahlung und Robustheit der Daten durchgeführt. Die Architektur wurde aus verschiedenen Blickwinkeln bewertet und erfolgreich im Weltraum demonstriert. Insgesamt zeigt diese Forschung, wie ein drahtloses Netzwerk die bestehenden hochmodernen Kommunikationssysteme an Bord von Raumfahrzeugen bei zukünftigen Missionen verbessern und möglicherweise ersetzen kann. Darüber hinaus wird sie dazu beitragen, die Implementierung von drahtlosen Netzwerken in Raumfahrtsystemen an die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen und damit letztlich die Integration dieser Systeme zu beschleunigen.

This thesis describes the design, implementation and evaluation of a control architecture for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) deployed in scenarios where a very high precision and accuracy in the execution of the respective tasks is required. The developed architecture is easy to adapt to the different requirements of the scenarios and always follows the main principle The right UAV for every mission. This means that it is not sufficient to use existing drones, flight controllers or UAV firmware for the special requirements for high accuracy and precision of the various scenarios. Instead, an adaptable control architecture with multiple levels of abstraction was designed, allowing adjustments at every level to achieve the best possible outcome. This controller architecture consists of three levels: Low-level controller, high-level controller and project-specific controller. The low level controller manages the control tasks with the highest priority directly on the flight controller hardware in real time using the operating system RODOS. The high level controller utilizes the implemented capabilities of the low level controller to coordinate and oversee more complex tasks that might otherwise overload the precious limited resources of the flight controller itself and also provides the interface for the project-specific controllers. As the name states, these controllers can be specifically implemented for the respective projects and their requirements by using the underlying functions of the low and high level controller. In contrast to most other research done in the field of UAV control, the architecture in this work was developed for real-world scenarios and has also been evaluated in these. This thesis describes the steps of the development from simulation through laboratory tests to the real environments. This development is presented in detail using three underlying research projects: MIDRAS presents a drone defense system consisting of physically coupled UAVs that carry a net in a formation flight to capture other drones. Sensorama shows the autonomous landing of a UAV in a special backpack on a bus with only a few centimeters margin of error and QANI presents an UAV that can explore and map its surroundings in 3D completely autonomously. / Diese Arbeit beschreibt das Design, die Implementierung und die Evaluierung einer Reglerarchitektur für Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), welche in Szenarien eingesetzt werden, bei denen eine sehr hohe Präzision und Genauigkeit in der Durchführung der jeweiligen Aufgaben benötigt wird. Die entwickelte Architektur ist einfach anpassbar für verschiedene Szenarien und verfolgt immer den Leitsatz: Für jede Mission die passende Drohne. Damit ist gemeint, dass es für die speziellen Anforderungen an die hohe Genauigkeit und Präzision der verschiedenen Szenarien nicht ausreicht, existierende Drohnen, Flightcontroller oder UAV-Firmware zu verwenden. Stattdessen wurde eine anpassungsfähige Reglerarchitektur mit mehreren Abstraktionsebenen entworfen, die es erlaubt an jeder Schraube zu drehen, um das bestmögliche Ergebnis zu erreichen. Diese Reglerarchitetkur besteht aus den 3 Ebenen: Low-Level-Controller, High-Level-Controller und Projektspezifischer-Controller. Der Low-Level-Controller verwaltet die Regelungs-Aufgaben mit der höchsten Priorität direkt auf der Flightcontroller-Hardware in Echtzeit unter Verwendung des Betriebssystems RODOS. Der High-Level-Controller verwendet die implementierten Fähigkeiten des Low-Level-Controllers, um komplexere Aufgaben zu koordinieren und zu überwachen, die andernfalls möglicherweise die kostbaren begrenzten Ressourcen des Flightcontroller selbst überlasten würden. Weiterhin stellt er das Interface für die projektspezifischen-Controller dar. Diese werden, wie der Name bereits sagt, spezifisch für die jeweiligen Projekte und deren Anforderungen implementiert, indem die zugrundeliegenden Funktionen der Low- und High-Level-Regelung verwendet werden. Im Gegensatz zu vielen anderen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Regelung von UAVs ist die Reglerarchitektur in dieser Arbeit für reale Szenarien entwickelt und auch in diesen evaluiert worden. Diese Thesis beschreibt alle Entwicklungs-Schritte, angefangen von der Simulation über Labor-Tests hin zu den realen Umgebungen. Dabei wird die Entwicklung anhand von 3 Forschungsprojekten detailliert dargestellt: MIDRAS stellt ein Drohnenabwehrsystem vor, welches aus physikalisch gekoppelten UAVs besteht, die im Formationsflug ein Netz tragen, um andere Drohnen einzufangen. Sensorama zeigt die autonome Landung eines UAV in einem speziellen Rucksack an einem Fahrzeug mit nur wenigen Zentimetern Fehlertoleranz und QANI präsentiert ein UAV, welches seine Umgebung vollständig autonom in 3D erkunden und kartografieren kann.

Die steigende Anzahl leistungsgewandelter Arbeitnehmer ist eine zunehmende Herausforderung für produzierende Unternehmen. Zur Sicherstellung eines wertschöpfenden und fähigkeitsgerechten Einsatzes erlangt daher eine prospektive und korrektive Arbeitsgestaltung an Bedeutung. Insbesondere in der frühen Phase der Prozessplanung sind digitale Menschmodelle zur Absicherung ergonomisch günstiger Arbeitsplätze und -prozesse geeignet. Die Abbildung leistungsgewandelter Mitarbeiter in digitale Menschmodelle und Planungstools der digitalen Fabrik ist jedoch aktuell nicht hinreichend berücksichtigt. Zur Unterstützung einer fähigkeitsgerechten Arbeitsgestaltung mit digitalen Menschmodellen sind diese um Leistungseinschränkungen zu erweitern. Gleichzeitig bedingen neue Funktionen der Menschmodelle und Planungstools ebenfalls eine Methodik zur digitalen Planung fähigkeitsgerechter Arbeitsplätze.:1 EINLEITUNG 1.1 AUSGANGSSITUATION 1.2 AUFBAU DER ARBEIT 2 STAND DER WISSENSCHAFT UND PRAXIS 2.1 ARBEITSGESTALTUNG UND ERGONOMIE 2.1.1 DEFINITION UND ZIELE 2.1.2 ERGONOMIE IM PRODUKTENTSTEHUNGSPROZESS 2.1.3 PLANUNG UND GESTALTUNG VON ARBEITSSYSTEMEN 2.1.4 ARBEITSGESTALTUNG UND ERGONOMIE IM DIGITALEN KONTEXT 2.1.5 DIGITALE MENSCHMODELLE 2.2 LEISTUNGSGEWANDELTE MITARBEITER 2.2.1 LEISTUNG UND LEISTUNGSFÄHIGKEIT 2.2.2 BEGRIFFSBESTIMMUNG LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 2.2.3 UNTERNEHMENSSTRATEGIEN ZUM EINSATZ LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 2.2.4 VERFAHREN ZUR BEURTEILUNG VON ARBEITSPLÄTZEN UND MITARBEITERN 2.3 SCHLUSSFOLGERUNG 2.4 ABLEITUNG DER ZIELSTELLUNG UND TEILZIELE 3 ERARBEITUNG EINER SYSTEMATIK ZUR KLASSIFIZIERUNG LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 3.1 ZIELSTELLUNG 3.2 DEFINITION DER KRITERIEN 3.2.1 GRUNDKÖRPERSTELLUNG 3.2.2 KÖRPERHALTUNG/BEWEGLICHKEIT 3.2.2.1 BEWEGLICHKEIT DER OBEREN EXTREMITÄTEN 3.2.2.2 RUMPFBEWEGLICHKEIT 3.2.2.3 BEWEGLICHKEIT DER UNTEREN EXTREMITÄTEN 3.2.3 LASTENHANDHABUNG 3.2.4 AKTIONSKRÄFTE 3.2.5 VIBRATIONEN/RÜCKSCHLÄGE 3.2.6 SENSORIK 3.2.7 ARBEITSORGANISATION 3.2.8 ARBEITSUMGEBUNG 3.2.9 GESAMTKATALOG 3.3 EXPERTENINTERVIEWS 3.4 ZUSAMMENFASSUNG 4 BESCHREIBUNG EINES MODELLS ZUR INTEGRATION VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN IN DIGITALE MENSCHMODELLE 4.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 4.2 PARAMETRISIERUNG DER KRITERIEN ZUR ÜBERFÜHRUNG IN MENSCHMODELLE 4.2.1 KRITERIEN IM KONTEXT DER EINGABE/VERARBEITUNG/AUSGABE 4.2.2 AUFBEREITUNG DER KRITERIEN ZUR DATENINTERPRETATION 4.2.3 (SEMI-)AUTOMATISCHE ERSTELLUNG VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 4.2.4 BERÜCKSICHTIGUNG VON MITARBEITERFÄHIGKEITSPROFILEN 4.3 ABLEITUNG NOTWENDIGER FUNKTIONSERWEITERUNGEN UND SCHNITTSTELLEN 4.4 ZUSAMMENFASSUNG 5 ENTWICKLUNG EINER METHODIK ZUR DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 5.2 WORKFLOW DER DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.2.1 PLANUNGSPROZESS DER DIGITALEN ARBEITSGESTALTUNG 5.2.2 PROZESSBESCHREIBUNG DES WORKFLOWS ZUR DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.3 ANFORDERUNGEN AN DIE EINGABE, AUSGABE UND SIMULATION 5.3.1 BERÜCKSICHTIGUNG VON MITARBEITERFÄHIGKEITSPROFILEN 5.3.2 AUSGABE VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 5.3.3 EINSATZANALYSE UND PRODUKTIVITÄTSVERGLEICH 5.3.4 GESTALTUNGSHINWEISE UND HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN 5.3.5 AUSGABEDARSTELLUNG UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN 5.4 ZUSAMMENFASSUNG 6 ÜBERTRAGUNG DES MODELLS UND DER METHODE AUF DIGITALE MENSCHMODELLE AM BEISPIEL DES EMA 6.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 6.2 IST-STAND EMA-MENSCHMODELL UND SOFTWARESYSTEM 6.3 BENUTZERZENTRIERTER GESTALTUNGSPROZESS 6.4 ABLEITUNG NOTWENDIGER SOFTWARETECHNISCHER ANPASSUNGEN 6.4.1 BERÜCKSICHTIGUNG VON KRITERIEN ZUR INTEGRATION VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN 6.4.2 EINGABE UND ANZEIGE VON MITARBEITERFÄHIGKEITS- UND ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 6.4.3 DARSTELLUNG DER EINSATZANALYSE UND PRODUKTIVITÄTSVERGLEICH 6.4.4 BERÜCKSICHTIGUNG NICHT ANFORDERUNGSGERECHTER SIMULATIONSSITUATIONEN 6.4.5 AUSGABE VON SITUATIVEN GESTALTUNGSHINWEISEN UND OPTIMIERUNGSPOTENTIALEN 6.4.6 ASSISTENT ZUR NUTZERGEFÜHRTEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 6.5 BEWERTUNG DER ERZEUGUNG VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 6.5.1 ZIELSTELLUNG UND UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND 6.5.2 STICHPROBE 6.5.3 UNTERSUCHUNGSABLAUF 6.5.4 ERGEBNISSE 6.5.5 ZUSAMMENFASSUNG 6.6 NUTZERORIENTIERTE EVALUATION 6.6.1 ZIELSTELLUNG UND UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND 6.6.2 STICHPROBE 6.6.3 UNTERSUCHUNGSABLAUF 6.6.4 ERGEBNISSE UND WEITERE OPTIMIERUNGSPOTENTIALE 6.6.5 ZUSAMMENFASSUNG 6.7 SCHLUSSFOLGERUNG FÜR DIE SOFTWARE-IMPLEMENTIERUNG 7 PRAKTISCHE ANWENDUNG DER METHODE 7.1 BEISPIEL ZUR OPTIMIERUNG VON ARBEITSPLÄTZEN FÜR DEN EINSATZ LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER MITTELS SIMULATION 7.2 ZUSAMMENFASSUNG 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 8.1 ZUSAMMENFASSUNG 8.2 LIMITATIONEN DER ERARBEITETEN LÖSUNGEN 8.3 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS / The increasing number of employees with restricted performance is a challenge for the industry. A prospective and corrective workplace design is important to ensure a value-adding and ability-appropriate employment. Especially in the early planning phase, digital human models are helpful for ergonomic workplace design. However, today’s digital human models usually lack functions and methods for the digital design of workplaces for employees with restricted perfomance. A further development of digital human models can support the digital planning of ability-appropriate workplaces. Due to new functions of digital human models, new planning methods with digital human models are also required.:1 EINLEITUNG 1.1 AUSGANGSSITUATION 1.2 AUFBAU DER ARBEIT 2 STAND DER WISSENSCHAFT UND PRAXIS 2.1 ARBEITSGESTALTUNG UND ERGONOMIE 2.1.1 DEFINITION UND ZIELE 2.1.2 ERGONOMIE IM PRODUKTENTSTEHUNGSPROZESS 2.1.3 PLANUNG UND GESTALTUNG VON ARBEITSSYSTEMEN 2.1.4 ARBEITSGESTALTUNG UND ERGONOMIE IM DIGITALEN KONTEXT 2.1.5 DIGITALE MENSCHMODELLE 2.2 LEISTUNGSGEWANDELTE MITARBEITER 2.2.1 LEISTUNG UND LEISTUNGSFÄHIGKEIT 2.2.2 BEGRIFFSBESTIMMUNG LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 2.2.3 UNTERNEHMENSSTRATEGIEN ZUM EINSATZ LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 2.2.4 VERFAHREN ZUR BEURTEILUNG VON ARBEITSPLÄTZEN UND MITARBEITERN 2.3 SCHLUSSFOLGERUNG 2.4 ABLEITUNG DER ZIELSTELLUNG UND TEILZIELE 3 ERARBEITUNG EINER SYSTEMATIK ZUR KLASSIFIZIERUNG LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 3.1 ZIELSTELLUNG 3.2 DEFINITION DER KRITERIEN 3.2.1 GRUNDKÖRPERSTELLUNG 3.2.2 KÖRPERHALTUNG/BEWEGLICHKEIT 3.2.2.1 BEWEGLICHKEIT DER OBEREN EXTREMITÄTEN 3.2.2.2 RUMPFBEWEGLICHKEIT 3.2.2.3 BEWEGLICHKEIT DER UNTEREN EXTREMITÄTEN 3.2.3 LASTENHANDHABUNG 3.2.4 AKTIONSKRÄFTE 3.2.5 VIBRATIONEN/RÜCKSCHLÄGE 3.2.6 SENSORIK 3.2.7 ARBEITSORGANISATION 3.2.8 ARBEITSUMGEBUNG 3.2.9 GESAMTKATALOG 3.3 EXPERTENINTERVIEWS 3.4 ZUSAMMENFASSUNG 4 BESCHREIBUNG EINES MODELLS ZUR INTEGRATION VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN IN DIGITALE MENSCHMODELLE 4.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 4.2 PARAMETRISIERUNG DER KRITERIEN ZUR ÜBERFÜHRUNG IN MENSCHMODELLE 4.2.1 KRITERIEN IM KONTEXT DER EINGABE/VERARBEITUNG/AUSGABE 4.2.2 AUFBEREITUNG DER KRITERIEN ZUR DATENINTERPRETATION 4.2.3 (SEMI-)AUTOMATISCHE ERSTELLUNG VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 4.2.4 BERÜCKSICHTIGUNG VON MITARBEITERFÄHIGKEITSPROFILEN 4.3 ABLEITUNG NOTWENDIGER FUNKTIONSERWEITERUNGEN UND SCHNITTSTELLEN 4.4 ZUSAMMENFASSUNG 5 ENTWICKLUNG EINER METHODIK ZUR DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 5.2 WORKFLOW DER DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.2.1 PLANUNGSPROZESS DER DIGITALEN ARBEITSGESTALTUNG 5.2.2 PROZESSBESCHREIBUNG DES WORKFLOWS ZUR DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.3 ANFORDERUNGEN AN DIE EINGABE, AUSGABE UND SIMULATION 5.3.1 BERÜCKSICHTIGUNG VON MITARBEITERFÄHIGKEITSPROFILEN 5.3.2 AUSGABE VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 5.3.3 EINSATZANALYSE UND PRODUKTIVITÄTSVERGLEICH 5.3.4 GESTALTUNGSHINWEISE UND HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN 5.3.5 AUSGABEDARSTELLUNG UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN 5.4 ZUSAMMENFASSUNG 6 ÜBERTRAGUNG DES MODELLS UND DER METHODE AUF DIGITALE MENSCHMODELLE AM BEISPIEL DES EMA 6.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 6.2 IST-STAND EMA-MENSCHMODELL UND SOFTWARESYSTEM 6.3 BENUTZERZENTRIERTER GESTALTUNGSPROZESS 6.4 ABLEITUNG NOTWENDIGER SOFTWARETECHNISCHER ANPASSUNGEN 6.4.1 BERÜCKSICHTIGUNG VON KRITERIEN ZUR INTEGRATION VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN 6.4.2 EINGABE UND ANZEIGE VON MITARBEITERFÄHIGKEITS- UND ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 6.4.3 DARSTELLUNG DER EINSATZANALYSE UND PRODUKTIVITÄTSVERGLEICH 6.4.4 BERÜCKSICHTIGUNG NICHT ANFORDERUNGSGERECHTER SIMULATIONSSITUATIONEN 6.4.5 AUSGABE VON SITUATIVEN GESTALTUNGSHINWEISEN UND OPTIMIERUNGSPOTENTIALEN 6.4.6 ASSISTENT ZUR NUTZERGEFÜHRTEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 6.5 BEWERTUNG DER ERZEUGUNG VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 6.5.1 ZIELSTELLUNG UND UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND 6.5.2 STICHPROBE 6.5.3 UNTERSUCHUNGSABLAUF 6.5.4 ERGEBNISSE 6.5.5 ZUSAMMENFASSUNG 6.6 NUTZERORIENTIERTE EVALUATION 6.6.1 ZIELSTELLUNG UND UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND 6.6.2 STICHPROBE 6.6.3 UNTERSUCHUNGSABLAUF 6.6.4 ERGEBNISSE UND WEITERE OPTIMIERUNGSPOTENTIALE 6.6.5 ZUSAMMENFASSUNG 6.7 SCHLUSSFOLGERUNG FÜR DIE SOFTWARE-IMPLEMENTIERUNG 7 PRAKTISCHE ANWENDUNG DER METHODE 7.1 BEISPIEL ZUR OPTIMIERUNG VON ARBEITSPLÄTZEN FÜR DEN EINSATZ LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER MITTELS SIMULATION 7.2 ZUSAMMENFASSUNG 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 8.1 ZUSAMMENFASSUNG 8.2 LIMITATIONEN DER ERARBEITETEN LÖSUNGEN 8.3 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS

In the course of revitalizing the Poseidon Building in Frankfurt, an energetically optimized façade, made of architectural concrete was developed. The development of a fiber-reinforced architectural concrete had to consider the necessary mechanical strength, design technology and surface quality. The fiber-reinforced architectural concrete has a compressive strength of 104.1 MPa and a 3-point bending tensile strength of 19.5 MPa. Beyond that, it was ensured that the fiber-reinforced high-performance concrete had a high durability, which has been shown by the capillary suction of de-icing solution and freeze thaw test with a weathering of abrasion of 113 g/m² after 28 freeze-thaw cycles and a mean water penetration depth of 11 mm.

In dieser Arbeit wurde die alte Designvariante des Fabry-Pérot-Filters (FPI4) hinsichtlich Performance und Ausbeute untersucht. Zielstellung war eine Optimierung, welche die Probleme wie Sticking, Kurzschluss zwischen Schirm und Elektrode sowie Defekte bei den Vereinzelungsverfahren beseitigen sollten. Ferner wurden eine Chipbezeichnung und eine neue geteilte Elektrode anvisiert. Ergebnis dieser Optimierung war das neue Design FPI5. Weiterhin wurde neben der Auslegung des FPI5 für das adhäsive Bonden mit SU8 eine Designvariante für das direkte Bonden realisiert. Das direkte Bonden konnte bereits bei den FPI mit zwei beweglichen Reflektorträgern erfolgreich getestet werden und soll nun auf die Designvariante mit nur einem beweglichen Reflektorträger übertragen werden. Außerdem wurde eine Überprüfung der SU8-Bondfestigkeit durchgeführt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die bis dato benutzten Bondparameter nicht das Optimum bezüglich der Bondfestigkeit darstellen, da in Testverbunden mit veränderten Bondparametern bis zu 50 % höhere Bondfestigkeiten erreicht wurden.:ABKÜRZUNGS- UND FORMELVERZEICHNIS VI 1 EINLEITUNG 8 1.1 Motivation 8 1.2 Kapitelübersicht 11 2 DAS FABRY-PEROT-INTERFEROMETER 12 3 DAS ALTE DESIGN FPI4 15 3.1 FPI4 15 3.2 Optimierungspunkte und Schwachstellen 17 4 DAS NEUE DESIGN FPI5 19 4.1 Verhindern von Sticking 20 4.2 Isolator zwischen Schirm und Elektrode 22 4.3 Abdichtfolie für den Sägeprozess 22 4.4 Chipbezeichnung 23 4.5 Elektrodenform 23 4.6 Zusammenfassung des Redesigns 25 5 PROZESSTECHNISCHE REALISIERUNG 27 5.1 FPI5 – Direktbond 27 5.1.1 Oberteil 28 5.1.2 Unterteil 30 5.2 FPI5 – SU8 31 5.2.1 Oberteil 32 5.2.2 Unterteil 34 5.3 Selektive Schichtabscheidung der optischen Schichten 36 6 CHARAKTERISIERUNG DER MUSTER 37 6.1 FPI5 – Direktbond 37 6.1.1 Oberteil 38 6.1.2 Unterteil 40 6.1.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 42 6.1.4 Zusammenfassung 44 6.2 FPI5 – SU8 47 6.2.1 Oberteil 48 6.2.2 Unterteil 49 6.2.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 52 6.2.4 Zusammenfassung 54 7 BONDEN DER FPI 57 7.1 Vorversuche zur SU8-Bondfestigkeit 57 7.1.1 Realisierung der Bondmuster 59 7.1.2 Charakterisierung der Bondmuster 60 7.1.3 Vereinzelungstests der Bondmuster 63 7.1.4 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster mit abgerundeten Bondrahmen 64 7.1.5 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster ohne abgerundeten Bondrahmen 67 7.2 Direktbonden der FPI 73 7.2.1 Ablauf des Direktbondens 73 7.2.2 Charaktersierung der Bondmuster 76 7.3 SU8-Bonden der FPI 78 7.3.1 Präparation der SU8-Rahmenstruktur 78 7.3.2 Ablauf des SU8-Bondens 80 7.3.2 Charakterisierung der Bondmuster 81 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 83 LITERATURVERZEICHNIS 85 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 87 TABELLENVERZEICHNIS 88 ANLAGENVERZEICHNIS 90 / This work presents a new design type of the older well known tunable micromachined Fabry-Pérot filter (FPI4). Compared to the previous system the new design (FPI5) aimed to avoid the problems as sticking, short circuit between the shield and the electrode as well as the malfunction in dicing and separation. Furthermore an identification mark and a new separated electrode were to be improved. The conclusion of this optimization was the new Design FPI5. The whole geometry was in addition to the adhesive bonding with SU8 moreover designed for the direct bonding, which was successfully verified in the FPI design with two moveable reflector carriers. Additionally a verification of the bonding strength at different bonding parameters was done. This verification showed that a 50 % higher bonding strength could be achieved by using the new bonding parameters in comparison to the normally used bonding parameters.:ABKÜRZUNGS- UND FORMELVERZEICHNIS VI 1 EINLEITUNG 8 1.1 Motivation 8 1.2 Kapitelübersicht 11 2 DAS FABRY-PEROT-INTERFEROMETER 12 3 DAS ALTE DESIGN FPI4 15 3.1 FPI4 15 3.2 Optimierungspunkte und Schwachstellen 17 4 DAS NEUE DESIGN FPI5 19 4.1 Verhindern von Sticking 20 4.2 Isolator zwischen Schirm und Elektrode 22 4.3 Abdichtfolie für den Sägeprozess 22 4.4 Chipbezeichnung 23 4.5 Elektrodenform 23 4.6 Zusammenfassung des Redesigns 25 5 PROZESSTECHNISCHE REALISIERUNG 27 5.1 FPI5 – Direktbond 27 5.1.1 Oberteil 28 5.1.2 Unterteil 30 5.2 FPI5 – SU8 31 5.2.1 Oberteil 32 5.2.2 Unterteil 34 5.3 Selektive Schichtabscheidung der optischen Schichten 36 6 CHARAKTERISIERUNG DER MUSTER 37 6.1 FPI5 – Direktbond 37 6.1.1 Oberteil 38 6.1.2 Unterteil 40 6.1.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 42 6.1.4 Zusammenfassung 44 6.2 FPI5 – SU8 47 6.2.1 Oberteil 48 6.2.2 Unterteil 49 6.2.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 52 6.2.4 Zusammenfassung 54 7 BONDEN DER FPI 57 7.1 Vorversuche zur SU8-Bondfestigkeit 57 7.1.1 Realisierung der Bondmuster 59 7.1.2 Charakterisierung der Bondmuster 60 7.1.3 Vereinzelungstests der Bondmuster 63 7.1.4 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster mit abgerundeten Bondrahmen 64 7.1.5 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster ohne abgerundeten Bondrahmen 67 7.2 Direktbonden der FPI 73 7.2.1 Ablauf des Direktbondens 73 7.2.2 Charaktersierung der Bondmuster 76 7.3 SU8-Bonden der FPI 78 7.3.1 Präparation der SU8-Rahmenstruktur 78 7.3.2 Ablauf des SU8-Bondens 80 7.3.2 Charakterisierung der Bondmuster 81 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 83 LITERATURVERZEICHNIS 85 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 87 TABELLENVERZEICHNIS 88 ANLAGENVERZEICHNIS 90

In diesem Vortrag wird Mathcad Prime 1.0 gezeigt. Es wird ein Ausblick auf Anwendungsmöglichkeiten (Best Practices) gegeben und auch ein Blick auf die Mathcad Roadmap geworfen.

Im Vortrag werden die komplexen und teilweise konträren Herausforderungen an zukünftige automobile Antriebsstränge und Getriebesysteme vorgestellt. Die klassische Suche nach neuen Antriebssträngen, basierend auf Intuition und Expertenwissen, kann diesen vielseitigen Zielstellungen kaum noch gerecht werden. Aus diesem Grund wird ein neuer methodischer Ansatz vorgestellt, mit dem konventionelle und hybride Getriebekonzepte rechnergestützt generiert werden können. Die Voraussetzung dafür bildet die eindeutige und kompakte mathematische Abbildung von beliebigen Getriebesystemen oder ganzen Antriebssträngen im Computer auf Basis eines Wellenmodells. Diese Codierung lässt sich effizient hinsichtlich diverser kinematischer und kinetischer Belastungen für frei wählbare Freiheitsgrade analysieren. Die rechnergestützte Synthese und Bewertung neuer Getriebe wird am Beispiel von Planetenautomatikgetrieben vorgestellt, wobei alle kombinatorisch möglichen konventionellen und hybriden Systeme Beachtung finden. Beispielsweise werden für eine aktuell typische Anzahl an Planetenradsätzen und Schaltelementen mehrere hundert Milliarden Getriebevarianten untersucht. Am Ende eines Syntheselaufs werden dem Entwicklungsingenieur die besten Systeme in einem Ranking vorgeschlagen. Der Vortrag schließt mit der Vorstellung exemplarischer Ergebnisse dieser neuen Entwicklungsmethode. Das neue Achtgang-Hybrid-Automatikgetriebe und das neue Neungang-Hybrid-Doppelkupplungsgetriebe verdeutlichen die Entwicklungspotentiale zukünftiger Getriebesysteme, bei denen hochfunktionale und effiziente Eigenschaften mit kleinstmöglichem mechanischem Aufwand, geringen Kosten und Bauraum kombiniert werden. Die IAV GmbH nutzt dieses Entwicklungstool erfolgreich zur Erzeugung von verschiedenen Getriebearten, wie Planetenautomatikgetrieben, Doppelkupplungsgetrieben, Handschaltgetrieben und stufenlos leistungsverzweigten Getrieben mit mechanischem oder elektrischem Variator.

Der Vortrag beschreibt die gegenwärtige Situation der Nutzung des Computer-Algebra-System MathCAD an den beruflichen Schulen in Sachsen. Es werden die Möglichkeiten für den Techniklehrer an Berufsschulen erläutert, MathCAD als rechnende Textverarbeitung für Unterrichtsvorbereitung und -durchführung für den Unterricht in Lehrgebieten mit mathematischem Hintergrund zu nutzen. Die Vorteile von MathCAD für diesen Anwendungszweck werden herausgearbeitet und die Einsatzbereiche klassifiziert. Didaktische Hinweise zur Gestaltung dynamischer Unterrichtsvorbereitungen mittels MathCAD geben dem Lehrer Hilfestellung.

Die Verwendung von Mathcad an der TU Chemnitz hat sich sowohl im Bereich der Forschung und Entwicklung als auch der Lehre und Bearbeitung studentischer Projekte etabliert. Im Rahmen dieser Entwicklung ist das Expertenwissen entstanden, Lehrveranstaltungen zur gezielten Nutzung von Mathcad bei der Lösung technischer Berechnungsprobleme zu halten. Der erste Teil des Vortrags stellt Bemühungen zur Einführung dieser Software bereits in der Sekundarstufe II des Gymnasiums Einsiedel Chemnitz vor. Im zweiten Teil des Vortrags wird die intuitive Verwendung von Mathcad auch bei aufwendigeren Berechnungen an Beispielen der Getriebekinematik gezeigt. Mittels der Exponentialschreibweise werden eine Kurbelschwinge und ein Roboterarm beschrieben.

- ganzheitliche Getriebeauslegung mit Hilfe von Mathcad, Creo™ Elements/Pro™ und MOCAD - Konkretisierung der Problemstellung beim Rundflechten und Ableiten von Bewegungsanforderungen an die Getriebestruktur - Strukturauswahl und Synthese mit Motion-Skelett in Creo™ Elements/Pro™ und Mathcad - MOCAD - MOtion and CAm-Design ist ein universell einsetzbares Werkzeug zum Bewegungsdesign und zur Auslegung von Kurvengetrieben - MOCAD wird zur Bearbeitung von Forschungs- und Industrieprojekten eingesetzt und mit Kooperationspartnern weiterentwickelt - Integrierte FEM-Analyse von Getriebestrukturen und Einzelteilen - Test des neuen Mechanica Features "Gelenkverbindungen"