Innerhalb dieser Arbeit wird ein Fertigungsverfahren entwickelt und erprobt, das den additiven Aufbau von großvolumigen faserverstärkten Kunststoffbauteilen in Skelettbauweise erlaubt. Dafür wird ein modifizierter Extruder zusammen mit einer speziellen Kinematik genutzt. Der Fokus liegt auf der Analyse des Einflusses der Steuergrößen auf geometrische und mechanische Eigenschaften, sowie Haftung im Bauteil. Hinsichtlich der geometrischen Eigenschaften wird ein Prozessmodell entwickelt, das die Abhängigkeit der Strangbreite und -höhe von den Steuergrößen darstellt. Durch experimentelle Untersuchungen werden die Prozessgrenzen und an diesen auftretende Effekte ermittelt. Das Verfahren weist hier große Freiräume auf. So können z.B. mit einer 1 mm Düse Strangbreiten von 1,2 bis 3,2mm erzielt werden. Die mechanischen Eigenschaften in Strangrichtung erreichen im 3D-Druck annähernd die Steifigkeit und Festigkeit der Spritzgießreferenz. Prozessbedingt ist eine Porosität im Material nicht ganz vermeidbar, allerdings sind die Fasern stark ausgerichtet und die Faserlänge im Granulat bleibt im Prozess weitestgehend erhalten. Mittels direktem 3D-Drucken auf endlosfaserverstärktes Tape kann mit Vorheizen des Tapes ein guter Haftverbund generiert werden. Ergänzend wurden zwei Komponenten entwickelt, die für eine Industrialisierung des Prozesses entscheidend sind: Zum einen wurde ein neues Düsenkonzept vorgestellt, das eine schnelle Anpassung des Massestroms während des 3D-Druckens ermöglicht. Zum anderen wurde eine Temperierdüse vorgestellt, mit der mittels Konvektion der abgelegte Strang gekühlt bzw. erhitzt werden kann.:1 Einleitung 2 Zielstellung 3 Literaturübersicht 4 Konzeption eines neuartigen 3D-Druck-Verfahrens 5 Analyse der kinematischen Eigenschaften 6 Betrachtung der Haftungsmechanismen 7 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften 8 Weiterentwicklung von Anlagenkomponenten 9 Zusammenfassung und Ausblick / In this thesis, a manufacturing process is presented which enables the additive manufacturing of largevolume fibre-reinforced plastic components in skeleton construction by using an extruder together with special kinematics. The focus is on the analysis of the influence of the control variables on geometric and mechanical properties, as well as adhesion in the component. With regard to the geometric properties, a process model is being developed that shows the dependence of the strand width and height on the control variables. Experimental investigations are used to determine the process limits and the effects occurring at these limits. The procedure knows here large free spaces, so e.g. with a 1 mm nozzle strand widths of 1,2 bis 3,2mm can be obtained. The mechanical properties in the strand direction in 3D printing approximate the stiffness and strength of the injection molding reference. Due to the process, porosity in the material cannot be completely avoided, however, the fibers are strongly oriented and the fiber length in the granulate is largely retained in the process. Direct 3D printing on continuous fiber-reinforced tape can be used to generate a good adhesive bond by preheating the tape. In addition, two components were developed that are decisive for industrializing the process: On the one hand, a new nozzle concept was introduced that enables rapid adjustment of the mass flow during 3D printing. On the other hand, a nozzle was presented with which the deposited strand can be cooled or heated by convection.:1 Einleitung 2 Zielstellung 3 Literaturübersicht 4 Konzeption eines neuartigen 3D-Druck-Verfahrens 5 Analyse der kinematischen Eigenschaften 6 Betrachtung der Haftungsmechanismen 7 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften 8 Weiterentwicklung von Anlagenkomponenten 9 Zusammenfassung und Ausblick

Telemedical methods enable remote patient monitoring and healthcare at a distance. Besides, fitness tracker and sport watches are currently trending electronic products to generate awareness of health parameters in daily life. Especially, the long-term and continuous measurement of electrophysiological signals such as electrocardiogramm (ECG) becomes increasingly attractive for telemedical applications. Typically used disposable Ag/AgCl wet electrodes for good skin-electrode contact can potentially cause skin irritation and rashes. This paper presents a low cost, individual and flexible substrate for skin electrodes to be applied in future consumer electronic or professional applications. It enables an alternative contact method of the electrode to the skin by applying a pressure during the measurement and hence good contact. If no measurement is needed pressure can be released and the electrode loses skin contact. The 3D printed polymer module is 4 mm thick and comprises a pressure chamber, silver electrodes and insulation layer. The airtight printed membrane of flexible filament, which expands when inflating the chamber, may be printed in different thicknesses and shapes, much thinner than the present 4mm. This enables a high individuality for various applications. Pressure up to 150 kPa was applied and leads to dilatation of 1400 μm. First tests on skin when measuring electrodermal activity (EDA) show promising results for future applications.

We report on inkjet printing of aqueous colloidal suspensions containing monodisperse silica and/or polystyrene nanosphere particles and a systematic study of the morphology of the deposits as a function of different parameters during inkjet printing and solvent evaporation. The colloidal suspensions act as a model ink for an understanding of layer formation processes and resulting morphologies in inkjet printing in general. We investigated the influence of the surface energy and the temperature of the substrate, the formulation of the suspensions, and the multi-pass printing aiming for layer stacks on the morphology of the deposits. We explain our findings with models of evaporation-driven self-assembly of the nanosphere particles in a liquid droplet and derive methods to direct the self-assembly processes into distinct one- and two-dimensional deposit morphologies.

In diesem Beitrag wird ein Vergleich zwischen indirekten Testmethoden zur Bewertung der Verbaubarkeit von 3D-gedruckten Mörteln und Betonen vorgestellt. Die Untersuchungen erfolgten an extrudierten Proben von acht zementbasierten Mischungen mit unterschiedlichem rheologischen Verhalten. Auf der Basis der erzielten Ergebnisse werden Vorhersagen zum Material- bzw. Stabilitätsversagen getroffen und mit den Ergebnissen des Direktdruckversuchs verglichen. Anschließend werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Prüfmethoden diskutiert. Zu diesen zählen die Techniken der Rotationsrheometrie mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit (engl.: constant rotational velocity, CRV), ein schneller Penetrationstest sowie einaxiale Druckversuche mit und ohne Querdehnungsbehinderung.

Stem cell bioengineering and therapy require different model systems and materials in different stages of development. If a chemically defined biomatrix system can fulfill most tasks, it can minimize the discrepancy among various setups. By screening biomaterials synthesized through a coacervation-mediated self-assembling mechanism, a biomatrix system optimal for 2D human mesenchymal stromal cell (hMSC) culture and osteogenesis is identified. Its utility for hMSC bioengineering is further demonstrated in coating porous bioactive glass scaffolds and nanoparticle synthesis for esiRNA delivery to knock down the SOX-9 gene with high delivery efficiency. The self-assembled injectable system is further utilized for 3D cell culture, segregated co-culture of hMSC with human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) as an angiogenesis model, and 3D bioprinting. Most interestingly, the coating of bioactive glass with the self-assembled biomatrix not only supports the proliferation and osteogenesis of hMSC in the 3D scaffold but also induces the amorphous bioactive glass (BG) scaffold surface to form new apatite crystals resembling bone-shaped plate structures. Thus, the self-assembled biomatrix system can be utilized in various dimensions, scales, and geometries for many different bioengineering applications.

A multitude of processes cooperate to produce the sensation of sound. The key initial step, the transformation from mechanical motion into an electrical signal, takes place in highly specialized mechanosensitive organelles that are called hair bundles due to their characteristic appearance. Each hair bundle comprises many apposed cylindrical stereocilia that are located in a liquid-filled compartment of the inner ear. The viscous liquid surrounding the hair bundle dissipates energy and dampens oscillations, which poses a fundamental physical challenge to the high sensitivity and sharp frequency selectivity of hearing. To understand the structure-function relationship in this complex system, a realistic physical model of the hair bundle with an appropriate representation of the fluid-structure interactions is needed to identify the relevant physical effects. In this work a novel approach is introduced to analyze the mechanics of the fluid-structure interaction problem in the inner ear. Because the motions during normal mechanotransduction are much smaller than the geometrical scales, a unified linear system of equations describes with sufficient accuracy the behavior of the liquid and solid in terms of a displacement variable. The finite-element method is employed to solve this system of partial differential equations. Based on data from the hair bundle of the bullfrog's sacculus, a detailed model is constructed that resolves simultaneously the interaction with the surrounding liquid as well as the coupling liquid in the narrow gaps between the individual stereocilia. The experimental data are from high-resolution interferometric measurements at physiologically relevant amplitudes in the range from a fraction of a nanometer to several tens of nanometers and over a broad range of frequencies from one millihertz to hundred kilohertz. Different modes of motion are analyzed and their induced viscous drag is calculated. The investigation reveals that grouping stereocilia in a bundle dramatically reduces the total drag as compared to the sum of the drags on individual stereocilia moving in isolation. The stereocilia in a hair bundle are interconnected by oblique tip links that transmit the energy in a sound to the mechanotransduction channels and by horizontal top connectors that provide elastic coupling between adjacent stereocilia. During hair-bundle deflections, the tip links induce additional drag by causing small but very dissipative relative motions between stereocilia; this effect is offset by the horizontal top connectors that restrain such relative movements, assuring that the hair bundle moves as a unit and keeping the total drag low. In the model the stiffness of the links, the stiffness of the stereocilia, and the geometry are carefully adjusted to match experimental observations. The references are stiffness and drag measurements, as well as the coherence measurements for the bundle's opposite edges, both with and without the tip links. The results are further validated by a comparison with the relative motions measured in a sinusoidally stimulated bundle for the distortion frequencies at which movements are induced by the nonlinearity imposed by channel gating. The model of the fluid-structure interactions described here provides insight into the key step in the perception of sound and the method presented provides an efficient and reliable approach to fluid-structure interaction problems at small amplitudes. / Bei der Hörwahrnehmung eines Klangs spielen viele komplexe Prozesse zusammen. Der Schlüsselprozess, die Umwandlung mechanischer Schwingungsbewegung in elektrische Signale, findet in den Haarbündeln im Innenohr statt. Diese Haarbündel sind hoch entwickelte mechanosensitive Organellen, bestehend aus vielen nahe beieinander stehenden Stereozilien umgeben von Flüssigkeit. Die beträchtliche Viskosität dieser Flüssigkeit führt zur Energiedissipation und zur Schwingungsdämpfung, was im Gegensatz zur bekannten hohen Empfindlichkeit und der ausgezeichneten Frequenzselektivität der Hörwahrnehmung steht. Um die Komponenten des Haarbündelsystems in ihrem funktionalen Zusammenspiel besser zu verstehen, bedarf es eines wirklichkeitsgetreuen Modells unter Einbeziehung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Struktur. Mit dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz vorgestellt, um die Mechanik der Fluid-Struktur-Wechselwirkung im Innenohr zu analysieren. Da die Bewegungen bei der normalen Mechanotransduktion wesentlich kleiner als die geometrischen Abmessungen sind, ist es möglich, das Verhalten von Fluid und Struktur in Form der Verschiebungsvariable in einem linearen einheitlichen System von Gleichungen ausreichend genau zu beschreiben. Dieses System von partiellen Differentialgleichungen wird mit der Finite-Elemente-Methode gelöst. Basierend auf experimentell ermittelten Daten vom Haarbündel des Ochsenfrosches wird ein detailliertes Modell erstellt, welches sowohl die Interaktion mit der umgebenden Flüssigkeit als auch die koppelnde Flüssigkeit in den engen Spalten zwischen den einzelnen Stereozilien erfasst. Die experimentellen Daten sind Ergebnisse von hochauflösenden interferometrischen Messungen bei physiologisch relevanten Bewegungsamplituden im Bereich von unter einem Nanometer bis zu mehreren Dutzend Nanometern, sowie über einen breiten Frequenzbereich von einem Millihertz bis hundert Kilohertz. Das Modell erlaubt die Berechnung der auftretenden viskosen Widerstände aus der numerischen Analyse der verschiedenen beobachteten Bewegungsmoden. Es kann gezeigt werden, dass durch die Gruppierung zu einem Bündel der Gesamtwiderstand drastisch reduziert ist, im Vergleich zur Summe der Widerstände einzelner Stereozilien, die sich individuell und unabhängig voneinander bewegen. Die einzelnen Stereozilien in einem Haarbündel sind durch elastische Strukturen mechanisch miteinander verbunden: Die Energie des Schalls wird durch schräg angeordnete sogenannte Tiplinks auf die mechanotransduktiven Kanäle übertragen, wohingegen horizontale Querverbindungen die Stereozilien direkt koppeln. Während der Haarbündelauslenkung verursachen die Tiplinks zusätzlichen Widerstand durch stark dissipative Relativbewegungen zwischen den Stereozilien. Die horizontalen Querverbindungen unterdrücken diese Bewegungen und sind dafür verantwortlich, dass sich das Haarbündel als Einheit bewegt und der Gesamtwiderstand gering bleibt. Die Steifigkeit der Stereozilien und der Verbindungselemente sowie deren Geometrie sind in dem Modell sorgfältig angepasst, um eine Übereinstimmung mit den Beobachtungen aus verschiedenen Experimenten zu erzielen. Als Referenz dienen Steifigkeits- und Widerstandsmessungen, sowie Kohärenzmessungen für die gegenüberliegenden Außenkanten des Bündels, die jeweils mit und ohne Tiplinks durchgeführt wurden. Darüberhinaus sind die Ergebnisse durch den Vergleich mit experimentell beobachteten Relativbewegungen validiert, die das Haarbündel infolge von sinusförmiger Anregung bei Distorsionsfrequenzen zeigt. Diese haben ihren Ursprung in dem nichtlinearen Prozess des öffnens von Ionenkanälen. Das entwickelte Modell eines Haarbündels liefert neue Einblicke in den Schlüsselprozess der auditiven Wahrnehmung. Zur Behandlung von Problemen der Fluid-Struktur-Wechselwirkungen bei kleinen Amplituden hat sich der hier ausgearbeitete Ansatz als effizient und zuverlässig erwiesen.

This thesis provides a systematic guideline for evaluating, integrating and designing the collaborative end effector system associated with commercially available collaborative robots (cobots). On the basis of ISO/TS 15066:2016, customers’ demands are categorised as a macro demand framework and micro demand variables, which are parameterised and hierarchised. By analysing these parameters, the collaborative degree is determined to correlate the hazards with protection measures, which can demonstrate the collaborative safety level transparently. After that, the safety protection measures are specifically proposed corresponding to the potential risks. Finally, an industrial application is evaluated, a novel adapter utilised on the UR5 cobot is illustrated, and its characteristics for the collaborative operation are described.:1 Introduction 2 Robotic end effector in Assembly and Handling 3 Concept and Definition of Collaboration 4 Statement of the academic purpose and methodology 5 Guideline and Methodology for designing the Active Lightweight End-effector (ALE) for collaborative robots 6 Performance demand d4): multiplicity and versatility of end effector 7 A safety monitoring end effector (Adapter) for collaborative operations 8 A practical study of collaborative integration based on collaborative degree 9 Conclusion Appendix / Diese Arbeit liefert einen systematischen Leitfaden für die Bewertung, Integration und Gestaltung des kollaborierenden Endeffektorsystems in Verbindung mit kommerziell verfügbaren kollaborativen Robotern (Kobots). Auf der Grundlage der ISO/TS 15066:2016 werden die Anforderungen der Kunden in einen Makro-Bedarfsrahmen und Mikro-Bedarfsvariablen kategorisiert, die parametrisiert und hierarchisiert werden. Durch die Analyse dieser Parameter wird der Kollaborationsgrad ermittelt, um die Gefährdungen mit Schutzmaßnahmen zu korrelieren, die die kollaborierende Sicherheitsstufe transparent darstellen können. Danach werden die Schutzmaßnahmen entsprechend den potenziellen Risiken vorgeschlagen. Schließlich wird ein industrieller Anwendungsfall bewertet, ein neuartiger Adapter für den Einsatz an einem Roboter UR5 erläutert und dessen Kenndaten für den kollaborierenden Betrieb beschrieben.:1 Introduction 2 Robotic end effector in Assembly and Handling 3 Concept and Definition of Collaboration 4 Statement of the academic purpose and methodology 5 Guideline and Methodology for designing the Active Lightweight End-effector (ALE) for collaborative robots 6 Performance demand d4): multiplicity and versatility of end effector 7 A safety monitoring end effector (Adapter) for collaborative operations 8 A practical study of collaborative integration based on collaborative degree 9 Conclusion Appendix