The idiom by Thomas Fuller fantasizes the fact that seeing is believing, but the feeling is the truth. This ideology has fired the vision and innovation of the Mulsemedia, multiple-sensorial media, and Internet of Skills (IoS) which enable the exchange of control, skills, and expertise anytime/everywhere across the Internet. With the emergence of the new generation of mobile network (5G), Tactile Internet, as well as the deployment of Industry 4.0 and Health 4.0, multimedia systems are moving towards immersed haptic enabled human-machine interaction systems such as the Digital Twin (DT). Specifically, Industry 4.0 will be using DT and robots on a large scale. This will increase human-machine and interaction to a great extent. There will be multimodal communications used to interact with digital twins and robots, specially haptics. Hence, tactile internet will replace the conventional internet today. In fact, a DT system can also be extended in Health 4.0 domain to act as a COVID-19 early warning system. Tracking a person’s temperature and other symptom data in real-time can signal if as well as when it’s time to see a doctor or take a COVID test. Link to a COVID tracing app, the digital twin might help get more information about the virus relative to the person itself. Since there are currently no well-recognized models to evaluate the performance of these systems, to address this research lacuna, we proposed a Quality-of-Experience (QoE) model for DT systems containing multi-levels of subjective, objective, and physiopsychological influencing factors. The model is itemized through a fully detailed taxonomy that deduces the perceived user’s emotional and physical states during and after consuming spatial, temporal, proximal, and abstracted multi-modality media between humans and machines. Further, the taxonomy was modelled using the best practice of machine learning methods to show how QoE for digital twin applications can be inferred and predicted from interactions and biosignals in this class of applications. Furthermore, the taxonomy was applied to two use cases. The first one addresses the objective quality optimization for transmission in a large scale immersed haptic virtual reality over the Internet while the second one aims to objectively infer an important DT QoE physiological aspect i.e, fatigue.

The master's thesis deals with a robotic palletizing controlled by PLC. The first part provides examples of palletizing machines. The second part shows how ABB robot is controlled by B&R Automation PLC. The third part introduces selected approaches for automated pallet pattern generation. The fourth part designs library that allows pallet patterns to be generated using B&R Automation PLC. Fifth part covers creation of virtual palleziting cell, which is used to test library for automated pallet pattern generation.

The goal of my master‘s thesis is to create a digital twin of a testbed Barman. The Barman is a school model of autonomous mixed drinks production line that demonstrates the principles of Industry 4.0. In the theoretical part of the thesis, the choice of a suitable tool for virtualization is discussed. The Tecnomatix Process Simulate and the Mechatronic Concept Designer module integrated in the NX platform is compared. The practical part of the work is divided into two phases. The first phase was about looking for a way to integrate the robotic SCARA manipulator. The second phase was focused on the virtualization of the cell Shaker in the latter of the tools mentioned before. This work is designed as a guide for creating and verifying the concept of a digital twin.

The diploma thesis is focused on an optical method for 3D scanning. There is selected photogrammetry for creating 3D models. In the practical part, a mechanism for automatic photo capture is designed and manufactured and 3D printed with using a digital camera, Arduino microcontroller and stepper motors. There are proposed two methods of capturing photographs with which digital twins of reference objects are created. The result of the work is a functional 3D scanner. The next are evaluated used methods as well as the production costs and the time required by the operator when creating a digital copy of the object is listed.

The Master’s thesis deals with virtual commissioning of the CNC machine tool changer. First deals with current state of knowledge with a systematic analysis of virtual commissioning. The 3D model is created by physical properties, sensors, actuators and control signals. In the last part of this thesis, a PLC program and visualization is created. The programs needed to create a virtual commissioning are jsou NX 12.0 - Mechatronic concept designer, SIMIT Simulation Platform V10.0 a TwinCAT 3.

The methods used today for the commissioning and validation of industrial machines requires theconstruction of physical prototypes. Those prototypes help the engineers to e.g. validate if theprogram code meant to control a machine works as intended. In recent years the development ofnew techniques for the commissioning and validation of industrial machines has changed rapidlythanks to the development of new software. The method used in this thesis is called simulationin the loop. Another method that can be benecial to use is hardware in the loop. Using thosemethods for the commissioning of a machine is called virtual commissioning. The simulation inthe loop method is used to simulate both the machine and the control system that operate thatmachine. This is called a digital twin, a virtual copy of the physical hardware and its control systemthat can be used without the need for a real prototype to be available.The software used in this thesis comes all from the company Siemens and those are TIA Portal,Mechatronics Concept Designer, SIMIT and PLCSim Advanced. By using those programs it waspossible to build a digital twin with rigid body dynamics and its control system of the industrialmodel that was given by the company Renholmen AB. This model contained all the necessarycomponents needed for a virtual commissioning project to be done without the need to be at thefactory oor.The results showed that it was possible to achieve a real time simulation, allowing the possibilityto trim the controller parameters without the need of a physical prototype. Design errors were alsofound thanks to the results of the simulation.This new technique has shown to be a useful tool due to most of the work could be done on a digitalmodel of the machine. Simulations can reduce the time to market for industrial machines and alsohelp engineers to validate and optimize the product at an early stage. This tool that can be usedto validate industrial machines before they are created.

This report studies how a digital twin can be utilized through offlinerobot programming and simulation for a robot packaging line;additionally, the advantages and challenges of a robot digital twin arereported. This thesis project and the robot simulation is done incollaboration with Ikea Industry.The obtained result was in form of a digital twin which is a digital copyof a physical robot cell at Ikea Industry’s packaging line. The resultsshow that a digital twin can indeed be utilized for layout planning androbot optimization. An energy consumption chart which depends on thetime taken to package ten boards was created. This chart can be used forfurther optimization of the robot cell.The study also shows that a digital twin can save time and money,especially in the design phase, for medium to small companies that donot have the resources to create a dedicated physical robot cell fortesting.

Throughout history, humans have proven to develop and improve their quality of life constantly. Incorporating mechanical principles into otherwise manual labor was one such aspect. Today, introducing mechanization to the industry and steam power is regarded as the first industrial revolution. Since then, a second and a third have followed, introducing concepts such as electricity, automation, computers, and computerization. Finally, in 2011 the fourth industrial revolution was introduced as Industry 4.0 by a project started in Germany, which considers digitalization. Industry 4.0 uses concepts such as Cyber-Physical Systems (CPS), the Internet of Things (IoT), and cloud computing. The goal of these concepts is to be able to further the capabilities of automation in the industry, creating smart factories. A problem experienced today when making changes to the production line is that an immense amount of hard coding is required for the Programmable Logic Controller (PLC) controlling the system as well as for the system controlling the factory. The Eclipse Arrowhead Framework addresses these issues by applying a particular set of parameters to all systems within the IT infrastructure. The Arrowheadframework offers parameters such as orchestrator, authorization, and a service registry to each system incorporated within the framework. By applying this, the System of Systems (SoS) and the parameters provided by the Arrowhead framework create a local cloud. In doing so, each system within a factory belongs to its local cloud, building a factory made of a cluster of local clouds. By applying the ideas of Industry 4.0, a proof of concept is created, showing that today’s industry would benefit from using the concepts stated above with digital twins. The thesis explores and proves that, with the help of digital twins, today’s industry can cut down on manufacturing process development. In addition, it reduces the time it takes to apply changes to the production line by enabling machine learning to facilitate human interaction. A model factory created by fischertechnik is used, together with a PLC, as the physical twin in this master thesis. In addition, using Siemens Computer-Aided Design (CAD) software NX, a digital twin is created; this digital twin will communicate with the physical twin to simulate the behavior of the physical twin in real-time. A server has been created and is acting as a hub of communication for both of the twins. The use of the digital twin to communicate with the physical twin will enable tremendous advances in automation regarding industry 4.0.

This paper describes the failure detection system of an electro-hydraulic actuator with dual modular redundancy based on a hybrid twin TM concept. Hybrid twin TM is a combination of virtual twin that operates in parallel with the actuator and represents its ideal behaviour, and a digital twin that identifies possible failures using the sensor readings residuals. Simulation-based system reliability analysis helps to generate a dataset for training the digital twin using machine learning algorithms. A systematic failure detection approach based on decision trees and the process of analysing the quality of the result is described.

Die dreidimensionale Formgebung von vliesstoffkaschierten Furnieren als Oberflächen von Zierteilen im Fahrzeug-Innenraum erfolgt über einen Umformprozess. Aufgrund der spröden, anisotropen und variablen mechanischen Eigenschaften von Holz sind Abschätzungen der Umformbarkeit bei neuen Geometrien eine große Herausforderung. Die Auslegung des Umformprozesses erfordert bisher umfangreiche Absicherungsversuche anhand von Prototypen-Werkzeugen. In der vorliegenden Dissertation werden daher numerische Methoden zur Vorhersage der Umformbarkeit von vliesstoffkaschierten Furnieren zur Reduzierung von Material- und Zeitaufwand im Fahrzeugentwicklungsprozess vorgestellt. Die Simulation der Umformung setzt die Modellierung des Deformations- und Versagensverhaltens der kaschierten Furnierstruktur voraus. Der Materialverbund aus Eschenholz-Furnier und Vliesstoffkaschierung wurde dafür zunächst im Zug- und im Scherversuch charakterisiert. Im Nakajima-Versuch wurde das dreidimensionale Deformationsverhalten analysiert, um die Verformungsgrenzen und die wesentlichen Einflussgrößen zu identifizieren. Dies sind vor allem die hohe Anisotropie, die Inhomogenität sowie die Abhängigkeit von den Temperatur- und Feuchtebedingungen. Die Experimente zeigten, dass das lokale Verformungs- und Versagensverhalten von der individuellen Verteilung der Jahrringstruktur abhängt. Auf Basis der Experimente wurden konstitutive Beziehungen und ein Materialmodell abgeleitet. Zur Abbildung von lokalem Versagensverhalten wurde eine Methode zur diskreten Berücksichtigung der Eigenschaften von Früh- und Spätholz in Finite-Elemente-Modellen entwickelt. Dazu wurde ein Zuordnungs-Schema für das Mapping-Tool Envyo eingerichtet, das auf Basis von Grauwertbildern Früh- und Spätholzzonen unterscheidet und auf finite Elemente überträgt. Zur Generierung lokaler Materialparameter wurden über einen Optimierungs-Algorithmus Simulationen des Zug- und des Scherversuchs mit den entsprechenden Kraft-Verschiebungskurven der Experimente kalibriert. Der eingeführte Modellierungsprozess wurde anhand des Versuchsprogramms validiert. Die stochastische Analyse der Verteilungen von Zugfestigkeit und Bruchdehnung in Simulationen des Zugversuchs, mit variierenden Jahrringstrukturen, lieferte eine sehr gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen des Experiments. In Simulationen des Nakajima-Tests konnten charakteristische Dehnfelder und Risse sehr gut erfasst werden. Des Weiteren wurde ein Umformprozess eines Bauteils nach dem gängigen Verfahren der Serienfertigung durchgeführt. Dazu wurden Furnierproben mit unterschiedlichen Verteilungen von Früh- und Spätholzzonen ausgewählt und umgeformt. Mit der eingeführten Übertragungsmethode auf Basis von Grauwertbildern dieser Proben wurden Simulationen der Umformung durchgeführt. Die Simulationen zeigten dabei die Faltenbildung, die sich auch im Versuch über die individuelle Verteilung der Frühholzzonen einstellte. Die Forschungsergebnisse der vorliegenden Dissertation stellen damit die vollständige Prozesskette zur virtuellen Auslegung des Umformprozesses vliesstoffkaschierter Furniere, unter Berücksichtigung von dessen individuellen wachstumsbedingten Eigenschaften, bereit.:1 EINLEITUNG 1.1 Hintergrund und Motivation der Thesis 1.2 Schwerpunkte und Ziele 1.3 Gliederung der Thesis 2 GRUNDLAGEN DER FERTIGUNGSTECHNIK UND STRUKTURMECHANIK 2.1 Einleitung 2.2 Struktureller Aufbau von Holz 2.3 Fertigung von Zierteilen und Furnieren 2.3.1 Aufbau und Fertigungsprozess von Zierteilen mit Holzoberfläche 2.3.2 Furnierarten und Herstellungsverfahren 2.4 Kontinuumsmechanische Grundlagen 2.4.1 Kinematische Beziehungen 2.4.2 Kinetische Beziehungen 2.4.3 Konstitutive Beziehungen 2.5 Die Finite-Elemente-Methode 2.6 Literaturüberblick zur Modellierung mechanischer Eigenschaften von Holz 2.7 Schlussfolgerungen 3 STRUKTURVERHALTEN VON FURNIERLAMINATEN 3.1 Einleitung 3.2 Materialcharakterisierung unter Normal- und Schubbelastung 3.2.1 Materialien und Methoden 3.2.1.1 Materialaufbau 3.2.1.2 Aufstellung des Versuchsprogramms 3.2.1.3 Probenvorbehandlung im Wasserbad 3.2.1.4 Bestimmung mechanischer Parameter im Zugversuch 3.2.1.5 Bestimmung mechanischer Parameter im Scherrahmenversuch 3.2.2 Ergebnisse und Diskussion 3.2.2.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch 3.2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Scherrahmenversuch 3.3 Analyse der Umformgrenzen im Nakajimaversuch 3.3.1 Versuchsaufbau 3.3.2 Ergebnisse und Diskussion 3.4 Schlussfolgerungen 4 MATERIALMODELL FÜR FURNIERLAMINATE 4.1 Einleitung 4.2 Idealisierung des Furnierlaminats in ein Kontinuumsmodell 4.3 Formulierung von Versagensmechanismen 4.4 Formulierung von nichtlinearen, konstitutiven Beziehungen 4.5 Schlussfolgerungen 5 DIE FURNIERSTRUKTUR IM FINITE-ELEMENTE-MODELL 5.1 Einleitung 5.2 Entwicklung einer Mapping-Methode zur Diskretisierung der Jahrringstruktur 5.2.1 Der Mapping-Prozess 5.2.2 Analyse des Mapping-Verfahrens anhand eines Finite-Elemente-Modells 5.3 Identifikation lokaler Parameter von Früh- und Spätholz 5.3.1 Methoden 5.3.1.1 Erstellung einer Optimierungsroutine zur Parameteridentifikation 5.3.1.2 Aufbau eines FE-Modells des Zugversuchs 5.3.1.3 Aufbau eines FE-Modells des Scherversuchs 5.3.2 Ergebnisse 5.3.2.1 Identifikation von Materialparametern unter Normalbelastung 5.3.2.2 Identifikation von Materialparametern unter Schubbelastung 5.3.2.3 Modellverhalten unter Druckbelastung 5.4 Schlussfolgerungen 6 VALIDIERUNG DES MODELLIERUNGSANSATZES 6.1 Einleitung 6.2 Validierung der numerischen Parameterstreuung in einer stochastischen Analyse 6.2.1 Aufbau von FE-Modellen des Zugversuchs unter Variation der Jahrringstruktur 6.2.2 Simulationsergebnisse 6.3 Validierung des Modell-Deformations- und Bruchverhaltens unter Tiefziehbelastung 6.3.1 Aufbau eines FE-Modells des Nakajima-Versuchs 6.3.2 Simulationsergebnisse 6.4 Numerische Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.1 Experimentelle Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.2 Simulation Umformprozess Schritt 1: Schwerkraftsimulation 6.4.2.1 Aufbau des Rechenmodells 6.4.2.2 Simulationsergebnis 6.4.3 Simulation Umformprozess Schritt 2: Umformsimulation 6.4.3.1 Modellaufbau 6.4.3.2 Simulationsergebnis 6.5 Schlussfolgerungen 7 FAZIT 8 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS ANHANG / In automotive manufacturing, laminated veneer sheets are being formed into a 3D geometry for the production of trim parts with wood surfaces. Estimations of the formability are challenging due to the brittle, anisotropic and inhomogeneous nature of wood. During the vehicle development process, the design of the forming process requires extensive tests with prototype tools. The present thesis introduces numerical methods for the prediction of the formability of veneers with nonwoven backings in order to reduce expenses for the usage of prototype tools and to rapid the development process. The simulation of the forming process requires adequate modelling of the deformation and failure behavior of the laminated veneer structure. Therefore, ash wood veneers with nonwoven backings were characterized in their principal mechanical properties, in tensile and shear tests. In the Nakajima test the material was analyzed under three-dimensional load to identify the forming limits and the influencing factors on the forming process. These are mainly the anisotropy, the inhomogeneity and the temperature and moisture boundaries. The experimentally obtained data was used to derive constitutive laws and a material model. As found in the experiments, failure and deformation behavior of veneer laminates vary with the individual arrangement of early- and latewood zones over a veneer sheet. Therefore, a discretization method is presented, where local failure and damage modes are considered for finite element models. Within the tool Envyo, a mapping scheme was realized for the transfer of early- and latewood zones from ash wood veneer surfaces to finite element meshes, based on gray scale images. In combination to the separate consideration of early- and latewood zones in the model, a set of material input parameters for both zones was created using numerical optimization methods. The force-displacement response of tensile and shear test simulations was calibrated with the corresponding experimental curves. The introduced modelling procedure was validated with the experimental program. In a stochastic, numerical analysis the same distribution of tensile strength and ultimate strain values with varying early- and latewood arrangements was achieved, compared to the experimental tensile test results. Local fracture as well as the characteristic strain distribution were captured in the model in a very good agreement with results of the Nakajima test. Additionally, a conventional forming process of an interior trim part surface was carried out, using veneer samples with different individual textures originating from the growth ring structure. Gray scale images of those samples were mapped to finite element models to perform the same process numerically. Those forming simulations show the wrinkling behavior, depending on the individual arrangement of earlywood zones, as observed in the hardware forming tests. In summary, the research output of the present thesis provides the whole process chain for the virtual design of the forming process of veneers with nonwoven backings, with consideration of the individual growth-related properties of the veneer structure.:1 EINLEITUNG 1.1 Hintergrund und Motivation der Thesis 1.2 Schwerpunkte und Ziele 1.3 Gliederung der Thesis 2 GRUNDLAGEN DER FERTIGUNGSTECHNIK UND STRUKTURMECHANIK 2.1 Einleitung 2.2 Struktureller Aufbau von Holz 2.3 Fertigung von Zierteilen und Furnieren 2.3.1 Aufbau und Fertigungsprozess von Zierteilen mit Holzoberfläche 2.3.2 Furnierarten und Herstellungsverfahren 2.4 Kontinuumsmechanische Grundlagen 2.4.1 Kinematische Beziehungen 2.4.2 Kinetische Beziehungen 2.4.3 Konstitutive Beziehungen 2.5 Die Finite-Elemente-Methode 2.6 Literaturüberblick zur Modellierung mechanischer Eigenschaften von Holz 2.7 Schlussfolgerungen 3 STRUKTURVERHALTEN VON FURNIERLAMINATEN 3.1 Einleitung 3.2 Materialcharakterisierung unter Normal- und Schubbelastung 3.2.1 Materialien und Methoden 3.2.1.1 Materialaufbau 3.2.1.2 Aufstellung des Versuchsprogramms 3.2.1.3 Probenvorbehandlung im Wasserbad 3.2.1.4 Bestimmung mechanischer Parameter im Zugversuch 3.2.1.5 Bestimmung mechanischer Parameter im Scherrahmenversuch 3.2.2 Ergebnisse und Diskussion 3.2.2.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch 3.2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Scherrahmenversuch 3.3 Analyse der Umformgrenzen im Nakajimaversuch 3.3.1 Versuchsaufbau 3.3.2 Ergebnisse und Diskussion 3.4 Schlussfolgerungen 4 MATERIALMODELL FÜR FURNIERLAMINATE 4.1 Einleitung 4.2 Idealisierung des Furnierlaminats in ein Kontinuumsmodell 4.3 Formulierung von Versagensmechanismen 4.4 Formulierung von nichtlinearen, konstitutiven Beziehungen 4.5 Schlussfolgerungen 5 DIE FURNIERSTRUKTUR IM FINITE-ELEMENTE-MODELL 5.1 Einleitung 5.2 Entwicklung einer Mapping-Methode zur Diskretisierung der Jahrringstruktur 5.2.1 Der Mapping-Prozess 5.2.2 Analyse des Mapping-Verfahrens anhand eines Finite-Elemente-Modells 5.3 Identifikation lokaler Parameter von Früh- und Spätholz 5.3.1 Methoden 5.3.1.1 Erstellung einer Optimierungsroutine zur Parameteridentifikation 5.3.1.2 Aufbau eines FE-Modells des Zugversuchs 5.3.1.3 Aufbau eines FE-Modells des Scherversuchs 5.3.2 Ergebnisse 5.3.2.1 Identifikation von Materialparametern unter Normalbelastung 5.3.2.2 Identifikation von Materialparametern unter Schubbelastung 5.3.2.3 Modellverhalten unter Druckbelastung 5.4 Schlussfolgerungen 6 VALIDIERUNG DES MODELLIERUNGSANSATZES 6.1 Einleitung 6.2 Validierung der numerischen Parameterstreuung in einer stochastischen Analyse 6.2.1 Aufbau von FE-Modellen des Zugversuchs unter Variation der Jahrringstruktur 6.2.2 Simulationsergebnisse 6.3 Validierung des Modell-Deformations- und Bruchverhaltens unter Tiefziehbelastung 6.3.1 Aufbau eines FE-Modells des Nakajima-Versuchs 6.3.2 Simulationsergebnisse 6.4 Numerische Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.1 Experimentelle Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.2 Simulation Umformprozess Schritt 1: Schwerkraftsimulation 6.4.2.1 Aufbau des Rechenmodells 6.4.2.2 Simulationsergebnis 6.4.3 Simulation Umformprozess Schritt 2: Umformsimulation 6.4.3.1 Modellaufbau 6.4.3.2 Simulationsergebnis 6.5 Schlussfolgerungen 7 FAZIT 8 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS ANHANG