Mobility is a symbol of dignity. A platform lift enables everyone of different physical abilities to move vertically with ease. Currently, the platform lift by Aritco Lift is made of steel sheet metal. It is heavy, thus difficult to handle. Sandwich design is researched to see whether and, if possible,how much dead load reduction. A simulation model is produced in SolidWorks to facilitate the material selection and the sandwich design. Sandwiches of aluminium face sheets are investigated, although steel face sheet works as well. No recommendation on core material can be made. Connection methods are investigated in SolidWorks to join the 35mm-thick sandwich-based floor to the lift body without creating a large deflection. Several general directions are investigated. None yielded results sufficiently satisfactory, although two directions have provided results that are very close to the requirements. Simulations are conducted on a 40mm-thick sandwich using one of the optimal joint options, yielding better weight savings and deflection results. Certain honeycomb properties are approximated using formulae rather than measured or simulated directly. To quantify how significant is the deviation of the approximated model, simulations are conducted by changing the length, width, and height of the sandwiches modelled using both the approximation and exact geometry. Fatigue life analyses are conducted on two of the candidate floors. Both are comfortably within the limit imposed by the standards. The success of a design in this thesis hinged on the validity of the honeycomb model. The test results reject the honeycomb model as the deflection is significantly higher than simulated. Plastic deformation has also occurred, though more probably due to the deformation local at the weld. Even though honeycomb is demonstrated not to be able to meet the requirements on its own, sandwich as a category of structure should not be discounted as a whole. Environmental factor is a drawback for using large quantities of aluminium even considering the weight difference between the design and the original steel structure. / Rörlighet är en symbol för värdighet. En plattformslyft gör att alla med olika fysiska förmågor kan röra sig vertikalt med lätthet. För närvarande är plattformslyften av Aritco Lift gjord av stålplåt. Den är tung och därför svår att hantera. Sandwichdesign undersöks för att se om och, om möjligt, hur mycket egenlastreduktion kan åstadkommas. En simuleringsmodell tas fram i SolidWorks för att underlätta materialvalet och sandwichdesignen. Sandwichkonstruktioner av aluminiumplåtar undersöks, även om stålplåt fungerar också. Ingen rekommendation om kärnmaterial kan ges. Fogningsmetoder undersöks i SolidWorks för att sammanfoga det 35 mm tjocka sandwichbaserade golvet till lyftkroppen utan att skapa en stor nedböjning. Flera allmänna riktningar utreds. Ingen av dessa gav tillräckligt tillfredsställande resultat, trots att två riktningar har gett resultatsom ligger mycket nära kraven. Simuleringar utförs på en 40 mm tjock sandwich med ett av de optimala fogalternativen, vilket ger bättre viktbesparingar och nedböjningsresultat än förväntat. Vissa bikakeegenskaper uppskattas med formler snarare än att mätas eller simuleras direkt. För att kvantifiera hur betydande avvikelsen av den approximerade modellen är, genomförs simuleringar där längden, bredden och höjden ändras på de modellerade sandwicharna med användning av både approximationer och data från den exakta geometrin. Utmattningsanalyser genomförs på två av designförslagen. Båda är bekvämt inom de gränser som ställs av standarderna. Framgången för en design i denna avhandling hängde på giltigheten av honeycomb-modellen. Testresultaten förkastar modellen eftersom nedböjningen är betydligt högre än simulerad. Plastiskdeformation har också förekommit, men troligen på grund av den lokala deformationen vid svetsen. Även om honeycomb har visat sig inte kunna uppfylla kraven på egen hand, bör sandwich som strukturkategori inte bortses från som helhet. Miljöfaktorn är en nackdel för att använda stora mängder aluminium även med tanke på viktskillnaden mellan konstruktionen och den ursprungliga stålkonstruktionen.

Current electrical systems are faced with the limitation in performance by the electrical interconnect technology determining overall processing speed. In addition, the electrical interconnects containing many long distance interconnects require high power to drive. One of the best ways to overcome these bottlenecks is through the use of optical interconnect to limit interconnect latency and power. This research explores new computer-aided design algorithms for developing optoelectronic systems. These algorithms focus on place and route problems using optical interconnections covering system-on-a-chip design as well as system-on-a-package design. In order to design optoelectronic systems, optical interconnection models are developed at first. The CAD algorithms include optical interconnection models and solve place and route problems for optoelectronic systems. The MCNC and GSRC benchmark circuits are used to evaluate these algorithms.

Scannende MEMS-Mikrospiegel stellen eine vielversprechende technologische Entwicklung mit potentiellen Anwendungen im Bereich der miniaturisierten Bildprojektion und Umgebungssensierung dar. Im Regelfall oszilliert das Spiegelelement hierbei resonant um die horizontale Achse, während die vertikale Achse statisch ausgelenkt wird. Somit ergibt sich ein sogenannter Raster-Scan. Während eine resonante Aktuierung in MEMS-Technologie im Frequenzbereich mehrerer kHz effizient umgesetzt werden kann, stellt die Implementierung statischer Antriebe eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Aktuierungskonzept vorgestellt, das effizientere quasi-statische Auslenkung ermöglicht. Hierfür wird der Drehimpuls, der durch die hochfrequente horizontale Schwingung erzeugt wird, durch eine weitere resonante Oszillation ähnlicher Frequenz gestört, wodurch sich ein für die quasi-statische Auslenkung nutzbares Drehmoment ergibt. Da gyroskopische Effekte ausgenutzt werden, die nicht in aktuellen auf Modalanalyse basierenden Simulationsmethoden berücksichtigt sind, werden Starrkörper- und transiente FEM-Modelle entwickelt, um die Realisierbarkeit des Antriebskonzepts simulatorisch zu verifizieren. Im Rahmen der durch den genutzten Prozess gegebenen Randbedingungen werden daraufhin Aktuierungselemente für die resonanten Achsen erarbeitet und mit diesen zwei Designvarianten eines 2D-Mikrospiegels erstellt. Nach modellbasierter Verifikation werden diese in einer MEMS-Fertigungslinie prozessiert. Mit den generierten Mustern wird dann eine vollständige experimentelle Charakterisierung unter Nutzung eines speziell erstellten FPGA-basierten Evaluations-Boards durchgeführt. Beide Design-Varianten zeigen hierbei voll funktionsfähige Sensierungs- und Aktuierungselemente. Es kann ein erfolgreicher Nachweis der Funktionsfähigkeit des neuartigen Antriebskonzepts vollbracht werden. Die dabei gezeigte 2D-Projektion erreicht Winkel von 12° x 1.8° / Scanning MEMS micromirrors are an emergent technology for compact form factor image projection and environment sensing applications. Commonly the mirror element oscillates resonantly along the horizontal axis, whereas it is deflected statically along the vertical axis, performing a so called raster scan. While resonant actuation can be implemented efficiently in MEMS, static deflection however remains challenging. In this thesis a novel actuation concept for 2D MEMS micromirrors is introduced that potentially enables efficient quasi-static actuation. Therefore the angular momentum that is generated by the high frequency resonant axis is disturbed by an orthogonal resonant oscillation of similar frequency, leading to a torque that can be utilized to achieve an indirect quasi-static deflection. As in this case gyroscopic effects are exploited that are usually not considered in state of the art modal finite element based MEMS simulation, in order to validate the feasibility of the actuation concept rigid body and transient finite element based models are developed and simulation studies conducted. Using an existing manufacturing process as a framework, actuation schemes for the resonant axes are introduced and two distinct micromirror designs are developed and verified by simulation. These are processed in a MEMS manufacturing line. A thorough characterization study is then carried out using a custom FPGA based evaluation board with closed loop control capabilities. Both design variants are functional with regard to all actuation and tilt angle detection elements. A successful implementation of the proposed actuation concept is shown achieving 2D projection of a laser beam with tilt angles of 12 ◦ × 1.8 ◦ in frequency and amplitude controlled operation.

The complexity in multiscale systems design is significantly greater than in conventional systems because in addition to interactions between components, couplings between physical phenomena and scales are also important. This complexity amplifies two design challenges: a) complexity of coupled simulation models prohibits design space exploration, and b) unavailability of complete simulation models that capture all the interactions. Hence, the challenge in design of multiscale systems lies in managing this complexity and utilizing the available simulation models and information in an efficient manner to support effective decision-making. In order to address this challenge, our primary hypothesis is that the information and computational resources can be utilized in an efficient manner by designing design-processes (meta-design) along with the products. The primary hypothesis is embodied in this dissertation as a framework for integrated design of products and design processes. The framework consists of three components 1) a Robust Multiscale Design Exploration Method (RMS-DEM), 2) information-economics based metrics and methods for simplification of complex design processes and refinement of simulation models, and 3) an information modeling strategy for implementation of the theoretical framework into a computational environment. The framework is validated using the validation-square approach that consists of theoretical and empirical validation. Empirical validation of the framework is carried out using various examples including: pressure vessel design, datacenter cooling system design, linear cellular alloy design, and multifunctional energetic structural materials design. The contributions from this dissertation are categorized in three research domains: a) multiscale design methodology, b) materials design, and c) computer-based support for collaborative, simulation-based multiscale design. In the domain of design methodology, new methods and metrics are developed for integrating the design of products and design processes. The methods and metrics are applied in the field of materials design to develop design-processes and specifications for Multifunctional Energetic Structural Materials. In the domain of computer-based support for design, an information modeling strategy is developed to provide computational support for meta-design. Although the framework is developed in the context of multiscale systems it is equally applicable to design of any other complex system.

Problem: Engineering design decisions require the integration of information from multiple and disparate sources. However, this information is often independently created, limited to a single perspective, and not formally represented, thus making it difficult to formulate decisions. Hence, the primary challenge is the development of computational representations that facilitate the exchange of information for decision support. Approach: First, the scope of this research is limited to representing design decisions as compromise decision support problems (cDSP). To address this challenge, the primary hypothesis is that a formal language will enable the semantics of cDSP to be captured, thus providing a digital interface through which design information can be exchanged. The primary hypothesis is answered through the development of a description logic (DL) based formal language. The primary research question is addressed in four sub-questions. The first two research questions relate to the development of a vocabulary for representing the semantics of the cDSP. The first hypothesis used to answer this question is that formal information modeling techniques can be used to explicitly capture the semantics and structure of the cDSP. The second research question is focused on the realization of a computer-processible representation. The hypothesis used to answer this question is that DL can be used for developing computational-based representations. The third research question is related to the organization and retrieval of decision information. The hypothesis used to answer this question is DL reasoning algorithms can be used to support organization and retrieval. Validation: The formal language developed in this dissertation is theoretically and empirically validated using the validation square approach. Validation of the hypotheses is achieved by systematically building confidence through example problems. Examples include the cDSP construct, analysis support models, the design of a cantilever beam, and design of a structural fin array heat sink. Contributions: The primary contribution from this dissertation is a formal language for capturing the semantics of cDSPs and analysis support models comprised of: (1) a systematic methodology for decision formulation, (2) a cDSP vocabulary, (3) a graphical information model, and (4) a DL-based representation. The components, collectively, provide a means for exchanging cDSP information.

Der Einsatz von digitalen Menschmodellen erlaubt neben einer frühzeitigen ergonomischen Analyse die Gestaltung von Arbeitsprozessen und stellt ein hilfreiches Werkzeug in der Produkt- und Prozessgestaltung dar. Im Rahmen dieses Beitrages soll auf ausgewählte Schwerpunkte der Entwicklung des digitalen Menschmodells „The Smart Virtual Worker“ eingegangen werden. Das Forschungsprojekt soll einen Beitrag zur Lösung, der mit dem demografischen Wandel der Gesellschaft einhergehenden Herausforderungen leisten. Die daraus resultierenden Forschungsschwerpunkte liegen insbesondere in der Einbeziehung von Alterungs- und psychischen Faktoren in die Bewegungsgenerierung des Menschmodells und der Modellierung von Umweltbedingungen. In Umsetzung des Projektes wurde ein erstes Arbeitsszenario erarbeitet, auf dessen Basis die vorgenannten Forschungsaufgaben interdisziplinär gelöst werden sollen.

Con el aumento de la población y de la demanda de bienes y servicios a escala global, se ha producido un deterioro en la calidad y disponibilidad del agua, poniendo de manifiesto la necesidad inminente de un cambio de mentalidad en la sociedad. Este cambio debe incluir, tanto la intensificación de las disposiciones legales que permitan prevenir la contaminación, como el desarrollo e implementación de tecnologías de depuración más eficaces, sostenibles y respetuosas con el ambiente. En la actualidad, en la mayoría de países desarrollados el tratamiento de aguas residuales urbanas está basado en los sistemas de fangos activados como tratamiento principal. Estos sistemas se caracterizan por presentar un elevado consumo energético y una alta generación de fango biológico, que debe ser sometido a algún tratamiento de estabilización previo a su reutilización o disposición final. Una alternativa a estas tecnologías son los sistemas basados en procesos anaerobios, cuya implementación supone mayor sostenibilidad, menor coste económico y energético, y menor impacto ambiental. Sin embargo, es necesario superar las limitaciones asociadas a las bajas velocidades de crecimiento de la biomasa anaerobia (en comparación con los microorganismos aerobios) y a la baja eficacia en la separación de la biomasa mediante procesos de sedimentación. La combinación del proceso anaerobio de degradación de la materia orgánica con un proceso de filtración con membranas, permite superar los inconvenientes mencionados, pudiéndose establecer tiempos de retención celular elevados sin necesidad de incrementar el volumen de reacción y obtener un efluente de alta calidad. Una de las ventajas de los sistemas anaerobios es la recuperación de parte de la energía contenida en la materia orgánica en forma de metano. Sin embargo, cuando hay presencia de sulfato en el medio se desarrollan bacterias sulfatorreductoras, las cuales compiten por los sustratos, reduciéndose la eficiencia en la conversión de materia orgánica a metano, y generando sulfuro de hidrógeno (sulfurogénesis), que inhibe los procesos biológicos y disminuye la calidad del biogás generado. Debido a la importancia que tiene el proceso de sulfurogénesis en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, varios autores han propuesto modelos matemáticos que incluyen los procesos biológicos, físicos y químicos asociados a las bacterias sulfatorreductoras. Sin embargo, no existe un modelo global que permita simular en conjunto los procesos que tienen lugar tanto en la línea de agua como en la de fango, y donde esté incluido este proceso. También es destacable la ausencia de una metodología sistemática para la calibración de los parámetros de los modelos anaerobios de tratamiento de aguas residuales. El objetivo principal de la presente tesis doctoral es la modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas con elevado contenido de sulfato. Con este fin, se ha desarrollado un modelo matemático capaz de describir el proceso biológico de sulfurogénesis y se ha propuesto una metodología de calibración de los parámetros. El modelo desarrollado ha sido incorporado al modelo global Biological Nutrient Removal Model No. 2 (BNRM2). Tanto el modelo como la metodología de calibración han sido validados mediante simulación con el programa DESASS, comparando los resultados predichos por el modelo con los valores experimentales obtenidos en un biorreactor anaerobio de membranas a escala demostración / Durán Pinzón, F. (2013). Modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas incluyendo las bacterias sulfatorreductoras. Aplicación a un biorreactor anaeroio de membranas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34778

Αντικείμενο της διατριβής είναι η υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση των φαι-νομένων μεταφοράς θερμότητας και μάζας σε πρότυπη εργαστηριακή μονάδα μηχανικής ξήρανσης δια συναγωγής, η οποία σχεδιάσθηκε, κατασκευάσθηκε και εξοπλίσθηκε με μετρητικό εξοπλισμό και ολοκληρωμένο σύστημα ελέγχου, συλλογής και επεξεργασίας των πειραματικών μετρήσεων. Στην εργαστηριακή μονάδα ξήρανσης παρέχεται η δυνατότητα μεταβολής και ελέγχου των βασικών παραμέτρων από τις οποίες επηρεάζεται η θερμική διεργασία της ξήρανσης, όπως η ταχύτητα, η θερμοκρασία και η υγρασία του αέρα ξήρανσης. Η μέτρηση της αποβολής της περιεχομένης υγρασίας στο υπό ξήρανση προϊόν πραγματοποιείται μέσω δυναμοκυψελών υψηλής ακρίβειας, ενώ η χωρική κατανομή της ταχύτητας ροής στην είσοδο του θαλάμου ξήρανσης κατά τη διεξαγωγή κάθε κύκλου πειραμάτων συνεχώς μετρείται με συστοιχία σωλήνων pitot και ενός συστήματος συγκροτούμενου από ηλεκτροβαλβίδες και μορφομετατροπέα πίεσης. Η χωρική κατανομή της θερμοκρασίας και της ταχύτητας στον θάλαμο ξήρανσης είναι δυνατή μέσω αισθητηρίων που προσαρμόζονται σε καρτεσιανό σύστημα μετακίνησης ελεγχόμενου από υπολογιστή το οποίο σχεδιάσθηκε, κατασκευάσθηκε και τοποθετήθηκε στην έξοδο του κατακόρυφου θαλάμου ξήρανσης αποτελώντας πλέον αναπόσπαστο τμήμα της εργαστηριακής μονάδας. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στον κατακόρυφο θάλαμο ξήρανσης, ενώ παρέχεται η δυνατότητα διεξαγωγής μετρήσεων και στο θάλαμο ξήρανσης οριζόντιας διάταξης. Στα πλαίσια της διατριβής, έγινε συστηματική πειραματική διερεύνηση της ξήρανσης δια συναγωγής σε φέτες κυδωνιών και μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν τη θερμική διεργασία της ξήρανσης σε αυτό το αγροτικό προϊόν, για θερμοκρασίες αέρα 40, 50 και 60οC και ταχύτητες αέρα 1, 2 και 3 m/s. Σκοπός των με-τρήσεων ήταν ο προσδιορισμός: (i) της επίδρασης της θερμοκρασίας και της ταχύτητας του αέρα στις καμπύλες ξήρανσης κυλινδρικών φετών κυδωνιού, (ii) της επίδρασης του πάχους των κυλινδρικών φετών του κυδωνιού στις καμπύλες ξήρανσης, (iii) της επίδρασης του προσανατολισμού των κυλινδρικών φετών κυδωνιού, ως προς τη διεύθυνση της προσπίπτουσας ροής, στις καμπύλες ξήρανσης, (iv) της προσαρμογής των καμπύλων ξήρανσης σε διάφορα απλά μοντέλα ξήρανσης λεπτού στρώματος, v) των ενεργών συντελεστών διάχυσης υγρασίας για την κάθε περίπτωση με την μέθοδο της κλίσης (slope method) και οι οποίοι συσχετίστηκαν με τη θερμοκρασία του αέρα ξήρανσης έτσι ώστε ο συντελεστής διάχυσης της υγρασίας να εκφρασθεί με την εξίσωση μορφής τύπου Arrhenius και vi) των διεπιφανειακών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας και μάζας οι οποίοι στη εκφράζονται ως συνάρτηση των αδιάστατων αριθμών Nu, Re και Pr με τη μορφή Nu=aRebPr1/3. Η προσομοίωση του ρευστοθερμικού πεδίου στο θάλαμο ξήρανσης και ο υπολογισμός των διεπιφανειακών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας και μάζας γύρω από την επι-φάνειας του προϊόντος πραγματοποιήθηκε με χρήση της εργαλείων της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Έγιναν προσομοιώσεις CFD μόνιμης κατάστασης (steady-state), θεωρώντας τυρβώδη ροή ενώ ο θάλαμος ξήρανσης και η κυλινδρική φέτα του κυδωνιού εξιδανικεύθηκε ως μια δισδιάστατη αξονοσυμμετρική διαμόρφωση. Ως μοντέλο τύρβης χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο SST (Shear Stress Transport) k-ω, ενώ για την προσέγγιση του οριακού στρώματος στα τοιχώματα του προϊόντος επιλέχθηκε το μοντέλο LRNM (Low Reynolds Number Model). Από την επίλυση των πεδίων ροής και θερμοκρασίας προσδιορίσθηκαν οι κατανομές των διεπιφανειακών συντελεστών στην προσήνεμη και στην υπήνεμη πλευρά της κυλινδρικής φέτας του κυδωνιού για όλες τις πειραματικές συνθήκες. Από τον υπολογισμό του μέσων σταθμισμένων τιμών του διεπιφανειακού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας συνάγεται μια συσχέτιση των αδιάστατων αριθμών Nu, Re και Pr, στη μορφή Nu=aRebPr1/3, που ως εύρημα εμπλουτίζει την υφιστάμενη βιβλιογραφία. Στο τελικό στάδιο της διατριβής, αναπτύχθηκε και αποτιμήθηκε σε σύγκριση με τις πειραματικές μετρήσεις ένα μονοδιάστατο αριθμητικό μοντέλο μη-μόνιμης μεταφοράς θερμότητας και μάζας για την προσομοίωση των καμπυλών ξήρανσης σε κυλινδρικές φέτες κυδωνιών. Στο μοντέλο, η μεταφορά θερμότητας εντός του προϊόντος γίνεται με αγωγή ενώ η μεταφορά μάζας γίνεται με υγρή διάχυση, με την εξάτμιση του περιεχόμενου νερού στις φέτες του κυδωνιών να λαμβάνει χώρα από την προσήνεμη και την υπήνεμη επιφάνεια. Στο αριθμητικό μοντέλο, λαμβάνεται υπόψη η συρρίκνωση της κυλινδρικής φέτας του κυδωνιού, θεωρώντας ότι ο όγκος της προϊόντος μειώνεται κάθε φορά κατά τον όγκο του νερού που εξατμίζεται τις δύο επιφάνειες της φέτας. Στον αριθμητικό κώδικα, οι θερμοφυσικές ιδιότητες του κυδωνιού και του αέρα προσδιορίζονται από σχέσεις που συναντώνται στη βιβλιογραφία, ο ενεργός συντελεστής διάχυσης της υγρασίας εισάγεται ως αποτέλεσμα της επεξεργασίας των πειραματικών μετρήσεων, ενώ για τους συντελεστές μεταφοράς χρησιμοποιήθηκαν οι μέσες σταθμισμένες τιμές των διεπιφανειακών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας και μάζας, ως αποτέλεσμα των CFD προσομοιώσεων και για περίπτωση μη-συζυγούς προσέγγισης (non-conjugated approach). Στοχεύοντας στην καλύτερη προσαρμογή των πειραματικών μετρήσεων και των υπολογιστικών αποτελεσμάτων, χρησιμοποιήθηκε η ανάλυση μη-γραμμικής παλινδρόμησης, με τους αλγόριθμους SQP (Sequential Quadratic Programming) και εσωτερικού σημείου (internal point), για τον προσδιορισμό των συντελεστών της εξίσωσης διάχυσης της υγρασίας, με μικρή όμως βελτίωση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων, σε συνδυασμό με τη σημαντική αύξηση του χρόνου υπολογισμού. Συμπερασματικά, από τη συνολική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων του αριθμητικού κώδικα αποδείχθηκε ότι το προτεινόμενο αριθμητικό μοντέλο που βασίζεται στη διάχυση είναι ικανό να περιγράψει αποτελεσματικά τη σύζευξη της μεταφοράς της θερμότητας και της μάζας όπως και να αποτυπώσει ικανοποιητικά τη χρονική εξέλιξη της περιεχόμενης υγρασίας και θερμοκρασίας εντός του προϊόντος, με την ελάχιστη χρήση πειραματικών μεταβλητών εισόδου ενώ έχει ελάχιστες υπολογιστικές απαιτήσεις. Για αυτούς τους λόγους μπορεί να θεωρηθεί κατάλληλο για την ανάλυση της διαδικασίας της ξήρανσης δια συναγωγής σε οποιοδήποτε οργανικό ή μη-οργανικό προϊόν. / The objective subject of this thesis is the computational and experimental investigation of heat and mass transfer phenomena in a new laboratory mechanical convection drying unit, which was designed, constructed and equipped with measuring equipment and an integrated control system of collection and processing of experimental measurements. In laboratory drying unit there is an option to change and control the main parameters of which affected the thermal drying process, such as speed, temperature and humidity of the drying air. Measurement of the removal of moisture content in the dried product is carried out through high-precision load cells, and the spatial distribution of the flow velocity at the entrance of the drying chamber during of each experiment, is continuously measured by pitot tube array and a system composed of solenoids and a pressure transducer. The spatial distribution of temperature and velocity in the drying chamber is possible by means of sensors fitted to a computer controlled cartesian motion system which is designed, constructed and placed at the outlet of the vertical drying chamber, constituting an integral part of the facility. All measurements were performed on the vertical drying chamber while it is possible to conduct measurements in a horizontal layout of the drying chamber. In this thesis became systematic experimental investigation of convective drying sliced quince and studied the effect of various parameters affecting the thermal drying process in this agricultural product, for air temperatures of 40, 50 and 60°C and air velocities 1, 2 and 3 m/s. The purpose of the measurements was to determine: (i) the effect of temperature and air velocity in drying curves of cylindrical quince slice, (ii) the effect of the thickness of the cylindrical slice of quince in drying curves, (iii) the effect of the orientation of the cylindrical quince slice, in the direction of incident flow, in the drying curves (iv) the adjusting of the drying curves in several simple thin layer drying models v) the effective moisture diffusivity coefficients for each case with the slope method which correlated with the temperature of the drying air so that the diffusion coefficient of moisture be expressed by Arrhenius type equation form and vi ) the interfacial heat and mass transfer coefficients which expressed as a function of dimensionless numbers Nu, Re and Pr in the form Nu = aRebPr1/3. The simulation of the flow and temperature fields in the drying chamber and the calcu-lation of the interfacial heat and mass transfer coefficients around the surface of the product were performed using the tools of Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD simulations were steady state, considering turbulent flow while drying chamber and cy-lindrical slice of quince specialized as an axisymmetric two-dimensional configuration. As turbulence model was used the SST k-ω model while on the approximation of the boundary layer near the walls of the product the LRNM was chosen. By solving the flow and temperature fields determined distributions of interfacial heat and mass transfer coefficients in front and rear of the cylindrical slice of quince for all experimental conditions. The calculation of the weighted average prices of the interfacial heat transfer coefficient indicates a correlation between dimensionless numbers Nu, Re and Pr, in the form Nu = aRebPr1/3, which as finding enriches the existing literature. In the final stage of the thesis, developed and evaluated in comparison with the experi-mental measurements, a one-dimensional transient numerical model of heat and mass transfer to simulate drying curves in cylindrical slices of quince. The heat transfer inside the quince is considered to be by conduction while the moisture transfer is considered to be governed solely by liquid diffusion. Evaporation is considered to take place only from the windward and leeward surface of the quince slice. The numerical model takes into account the shrinkage of the cylindrical slice of quince, assuming that the cylindrical volume decreases each time as much as the volume of water that evaporates on both surfaces of the slice. The numerical code used the thermophysical properties of quince and air from the literature, the effective diffusion coefficient of moisture experimentally determined by the method of the slopes, while the transfer coefficients used the weighted average prices of interfacial heat and mass transfer coefficients derived from the simulations with CFD (non-conjugated approach). In order to achieve higher accuracy between experimental data and predictions, a non-linear regression analysis, using an Arrhenius type effective diffusion equation, was also performed. However, preliminary result, obtained using the SQP (Sequential Quadratic Programming) and Interior Point algorithms for the minimization of the Chi-square function (χ2) showed only small improvement of the calculated results with a significant increase of the computational cost. In conclusion, the overall assessment of the results of the numeric code shown that the proposed numerical model based on diffusion is able to effectively describe the coupling of heat transfer and mass, as to capture the time evolution of moisture content and temperature within the product, with minimum use of experimental input variables and minimum computational requirements. For these reasons it may be considered appropriate to analyze the convective drying process in any organic or non-organic product.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Sensoren in einer neuen, großserienfähigen Technologie. Mit dem Mehrkomponentenmikrospritzgießverfahren werden mechanische Sensorstrukturen aus (faserverstärktem) Kunststoff an polymere piezoelektrische Wandler angebunden. Die hergestellten Aufnehmer können über die Weiterverarbeitung mit Hybridtechnologien für die Strukturintegration eingesetzt werden. Diese Dissertation stellt Entwurfsmethoden und Modelle zur Vorausberechnung der neuartigen Sensoren bereit, die zur Qualifizierung der neuen Technologie benötigt werden. Dazu werden bekannte Modellierungsansätze angewandt und wesentliche Erweiterungen für die praktische Nutzung erarbeitet. Entwurfsrelevante technologieabhängige Kenngrößen, wie die elastischen Eigenschaften der verarbeiteten Werkstoffe und die geometrischen Dimensionen der hergestellten Sensorstrukturen werden untersucht und deren Einfluss auf den Entwurfsprozessdargelegt. Die hergestellten Sensoren werden in ihrer Grundfunktion messtechnisch charakterisiert und die System- und Strukturintegration vorgestellt. / The presented work describes the development of sensors in a novel technology approach feasible for large-scale production. By using the multicomponent microinjection molding process, mechanical sensor structures out of (fiber-reinforced) polymers are joined with piezoelectric polymer transducers. The fabricated sensors can be processed further with hybrid manufacturing technologies and adapted for structure integration. This thesis introduces design methods and models for the preliminary calculation of the novel sensors, which are required for a technology qualification. Therefore, existing modelling approaches adapted and essentially extended for practical use. Design relevant parameters related to the technology like the elastic properties of the applied materials or the geometric dimensions of the manufactured sensor structures are characterized and the system and structure integration of the sensors is presented.

The rise of additive manufacturing has enabled new degrees of freedom in terms of design and functionality. In this context, this contribution addresses the design and characterization of structural unit cells that are intended as building blocks of highly porous lattice structures with tailored properties. While typical lattice structures are often composed of gyroid or diamond lattices, this study presents stackable unit cells of different sizes created by a generative design approach tomeet boundary conditions such as printability and homogeneous stress distributions under a given mechanical load. Suitable laser powder bed fusion (LPBF) parameterswere determined forAlSi10Mg to ensure high resolution and process reproducibility for all considered unit cells. Stacks of unit cells were integrated into tensile and pressure test specimens for which the mechanical performance of the cells was evaluated. Experimentally measured material properties, applied process parameters, and mechanical test results were employed for calibration and validation of finite element (FE) simulations of both the LPBF process as well as the subsequent mechanical characterization. The obtained data therefore provides the basis to combine the different unit cells into tailored lattice structures and to numerically investigate the local variation of properties in the resulting structures. / Durch die Einführung der Additiven Fertigung können neue Freiheitsgrade in Bezug auf Gestaltungsfreiheit und Funktionalität erreicht werden. In diesem Zusammenhang adressiert dieser Beitrag das Design und die Charakterisierung struktureller Einheitszellen als Bausteine für hochgradig poröse Gitterstrukturen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Während typische Gitterstrukturen oft auf Gyroid- oder Diamantstrukturen basieren, präsentiert dieser Beitrag stapelbare Einheitszellen unterschiedlicher Größe, die durch einen generativen Designansatz erstellt wurden. Hierdurch sollen verschiedene Randbedingungen wie eine gute Druckbarkeit und homogene Spannungsverteilung unter gegebenen mechanischen Lasten erreicht werden. Um eine hohe Auflösung und Reproduzierbarkeit der Einheitszellen zu erreichen, wurden für den verwendeten Werkstoff AlSi10Mg geeignete Druckparameter für das Laserstrahlschmelzen (LPBF) ermittelt. Stapel von Einheitszellen wurden in Zug- und Druckproben integriert, anhand derer die mechanische Stabilität der Zellen ermittelt wurde. Experimentell bestimmte Materialeigenschaften, die verwendeten Prozessparameter und die Ergebnisse der mechanischen Untersuchungen wurden anschließend für die Kalibrierung und Validierung Finiter Elemente (FE) Simulationen herangezogen, wobei simulationsseitig sowohl der Prozess des Laserstrahlschmelzens als auch die nachgelagerte mechanische Charakterisierung berücksichtigt wurden. Die hier präsentierten Ergebnisse sollen als Basis sowohl für eine gezielte Anordnung der Einheitszellen zu maßgeschneiderten Gitterstrukturen dienen als auch für die numerische Auswertung der lokal variierenden Eigenschaften der somit resultierenden Strukturen.