The size reduction of transistors has been the main reason for a successful development of semiconductor integrated circuits over the last decades. Because of the physically limited downscaling of transistors, alternative technologies namely the information processing and nonvolatile resistive switches (also termed memristors) have come into focus. Memristors reveal a fast switching speed, long retention time, and stable endurance. Nonvolatile analog bipolar resistive switching with a considerable large On/Off ratio is reported in BiFeO3 (BFO)-based resistive switches. So far resistive switches are mainly applied in memory applications or logic operations. Given the excellent properties of BFO based memristors, the further exploration of functionalities for memristive devices is required. A new approach for hardware based cryptographic system was developed within the framework of this dissertation. By studying the power conversion efficiencies on BFO memristor at various harmonics, it has been shown that two sets of clearly distinguishable power ratios are achievable when the BFO memristor is set into high or into low resistance state. Thus, a BFO-based binary encoding system can be established. As an example the unrecoverable seizure information from encoded medical data suggests the proper functioning of the proposed encryption system. Aside from cryptographic functionality, the single pairing spike timing dependent plasticity (STDP) in BFO-based artificial synapses is demonstrated, which can be considered as the cornerstone for energy-efficient and fast hardware-based neuromorphic networks. In comparison to the biological driven realistic way, only single one pairing of pre- and postsynaptic spikes is applied to the BFO-based artificial synapse instead of 60-80 pairings. Thus, the learning time constant of STDP function can be reduced from 25 ms to 125 us. / In den letzten Jahrzehnten war die Größenreduktion von Transistoren einer der Hauptgründe für die Leistungssteigerung von integrierten Halbleiterschaltungen. Aufgrund des physikalisch beschränkten Skalierungspotentials, werden alternative Technologien für Halbleiterschaltungen entwickelt. Dazu zählen neuartige Widerstandsschalter, sogenannte Memristoren, welche wegen ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeit, langen Speicherzeit und stabilen Haltbarkeit in den Fokus der Forschung gerückt sind. Das nichtflüchtige analoge bipolare Schalten des Widerstandwertes mit einem On/Off Verhältnis größer als 100 wurde in BiFeO 3 (BFO)-basierten Widerstands-schaltern beobachtet. Bisher wurden Widerstandsschalter hauptsächlich als Speicher oder in rekonfigurierbaren Logikschaltungen verwendet. Aufgrund der ausgezeichneten Eigenschaften von BFO-basierten Memristoren, ist die Untersuchung weiterer neuer Funktionalitäten vielversprechend. Als neuer Ansatz für ein Hardware-basiertes Kryptosystem wird in der vorliegenden Arbeit die Ausnutzung des Leistungsübertragungskoeffizienten in BFO Memristoren vorgeschlagen. Mit Hilfe der unterschiedlichen Oberschwingungen, welche von einem BFO Memristor im ON und OFF Zustand generiert werden, wurde ein Kryptosystem zum Kodieren binärer Daten entwickelt. Ein Test des Hardware-basierten Kryptosystems an Biodaten ergab, dass die kodierten Biodaten keine vorhersagbare Korrelation mehr enthielten. In der vorliegenden Arbeit wurden darüberhinaus BFO-basierte künstliche Synapsen mit einer Aktionspotentials-Intervall abhängigen Plastizität (STDP) für Einzelpulse entwickelt. Diese Einzelpuls-STDP legt den Grundstein für energieffiziente und schnelle neuromorphe Netzwerke mit künstlichen Synapsen. Im Vergleich zu biologischen Synapsen mit einer 60-80-Puls-STDP und einem Lernfenster auf der ms-Zeitskale, konnte das Lernfenster von BFO-basierten künstlichen Synapsen von 25 ms auf 125 μs reduziert werden. Solch ein schnelles Lernen ermöglicht auch die extreme Reduzierung des Leistungsverbrauchs in neuromorphen Netzwerken.

Strukturüberwachung und Condition Monitoring spielen in vielen Gebieten der Technik eine große Rolle. Zur Überwachung von Leichtbaustrukturen aus faserverstärkten Kunststoffen bietet sich hierfür besonders die Körperschall-Analyse an. Am Markt etabliert sind hierfür piezoelektrische Signalaufnehmer. Diese Arbeit stellt eine kostengünstige Alternative in Form von mikromechanischen Körperschall-Sensoren vor. Eine Besonderheit stellt hierbei das Prinzip des mechanischen Bandpasses dar. Es wird die Elektronik- und Gehäuseentwicklung sowie die experimentelle Untersuchung dargelegt. / Structural health monitoring is of vital importance in many technical fields. For monitoring of lightweight structures made from fiber reinforced plastics especially acoustic emission testing is used. Commercially available transducers utilize the piezoelectric effect. This thesis introduces a cost efficient alternative in form of micromechanical sensors, in particular sensors using the principle of a mechanical bandpass. The design of electronics and the packaging as well as experimental investigations are provided.

Der Vortrag beschreibt die zugrunde liegende Theorie und die Softwarefunktionalität des in PTC Creo Simulate 3.0 eingeführten Kontaktmodells mit endlicher Reibung und vergleicht dieses mit den bis Creo Simulate 2.0 exklusiv verwendeten Kontaktmodellen (ideal reibungsfrei und unendlich reibungsbehaftet). An zwei Modellbeispielen (ein von zwei Bremsbacken geklemmtes Bremsschwert und ein verschraubtes Schwungrad) wird versucht, die Funktionsweise des neuen Modells zu demonstrieren. Wegen aktueller Qualitätsprobleme der Software wird die Brauchbarkeit der Kontaktmodelle für den Anwender bewertet (Stand Creo 3.0 M080 / Creo 2.0 M200) und umfangreiches Feedback an den Softwarehersteller PTC gegeben. / The presentation describes the underlying theory and software functionality of the finite friction contact model introduced with PTC Creo Simulate 3.0. It is being compared with the friction-free and infinite friction contact model used exclusively until Creo Simulate 2.0. It is being tried to demonstrate the mode of operation of the new model with help of two examples: A brake sword clamped by two brake pads and a bolted flywheel. Because of actual software quality problems, the usability of the contact model for the user is being rated (status Creo 3.0 M080 / Creo 2.0 M200). Furthermore, comprehensive feedback is given to the software developer PTC.

Die Option Mechanism Dynamics (MDO) von Creo Parametric ist ein Tool aus dem Bereich Starrkörperdynamik. Im Kern des Vortrags steht jedoch die MDO-Funktion 3D-Kontakt, die einzigartig mit elastischen Körpern arbeitet. Im Vortrag wird die Vorgehensweise bei der dynamischen Simulation eines Rutschreifens auf GFK-Wasserrutschen erläutert, abschließend werden Animationsbeispiele präsentiert.

Der Beitrag befasst sich mit einem Überblick über das Forschungsprojekt SiPro, im Rahmen der Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimapolitik. Ziel des Projektes ist es, einen Durchbruch in der horizontalen Datenintegration entlang der Prozesskette Gießen, Schmieden, Wärmebehandlung und den nachfolgenden Prozessen, wie Walzen, Gesenkschmieden und Ziehen zu erreichen. Ausgehend davon ist eine Optimierung der Prozesse möglich, was letztendlich zur Einsparung des Energieeinsatzes und damit zu einer verbesserten Wettbewerbsfähigkeit verbunden mit einer Reduzierung des CO2-Ausstoßes führt.

Das Softwarewerkzeug FUP Blockbibliothek wurde für Entwurf, Simulation, Echtzeitkodegenerierung und Dokumentation von ereignisgesteuerten Systemen, speziell in Maschinenbau, Mechatronik und Elektrotechnik entwickelt. Es stellt eine Erweiterung zu MATLAB /Simulink dar und bietet eine umfangreiche Entwurfsunterstützung einschließlich Werkzeugen zur Erkennung von Eingabe- und Strukturfehlern. Die graphische Darstellung (Blockikonen) lehnt sich an die VDI / VDE - Richtlinie 3684 "Beschreibung ereignisgesteuerter Bewegungsabläufe mit Funktionsplänen" an.:Einführung S. 3 Wesentliche Eigenschaften S. 4 Anwendungshinweise S. 6 Blockbibliothek S. 11 Beispiele S. 12 Blockbeschreibungen S. 33

The need for safety components in safety-related control systems arises in developing basic principles for preventing mechanical accidents and protecting safety for people and machines, especially in the development of automated drive systems for mobile construction machinery. An important parameter when using safety-relevant components respectively safety devices of automation technology-according to E DIN EN ISO 13849-1:2020-08 - in mobile machinery is the Diagnostic Coverage. The Diagnostic Coverage measures the effectiveness of the diagnosis as the ratio of the failure rate of noticed dangerous failures and failure rate of total dangerous failures. Because single- and dual-channel safety circuits from the Safety Related Parts of Control Systems (SRP/CS) might fail or get defective, a known level of Diagnostic Coverage helps to design such systems. As a supplementary method, the paper discusses the possibility of deriving a failure rate from empiric investigations via the context of fault classification known for electrical components from DIN EN 61508.-6:2011-02. Test procedures are not available in the development phase of new machines and new components in the field of mobile machines. Nevertheless, the Diagnostic Coverage is required for the calculation and design process. Similar to this test approach, the fault behaviour of technical products, defined in the FMEA (Failure Mode and Effects Analysis), can be applied to estimate the fault conditions in parallel to the design development as a first step. The target of estimating the diagnostic coverage already in the development phase of safety-relevant hydraulic components and systems can thus be achieved more effectively, and is illustrated in the article employing an example. The Diagnostic Coverage must be determined to classify the entire SRP/CS and each individual component according to ISO 13849 in category 2 and categories 3 & 4. In practice, this means that the calculation must be executed for the respective sensors, the controller and the actuator individually, and the entire functional channel as a whole in the single- or dual-channel safety circuit system. This enables an initial estimate and calculation of the Diagnostic Coverage according to ISO 13849 in the development phase without executing time-consuming prototype tests or test results from the field. This results in time savings and an increase in effectiveness of the internal work processes. Furthermore, the early avoidance of potential systematic risks of product and process failures, allows to reduce the costs of the development phase significantly.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorgehensweise entwickelt, um Verbesserungspotentiale in produzierenden kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) durch den Einsatz von Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) zu identifizieren. Die Herausforderung in der Anwendung besteht dabei in der Entwicklung von objektiven Bewertungsverfahren, um die Auswirkungen möglicher Realisierungsvarianten ökonomisch, sozial, ökologisch und technisch-technologisch zu beurteilen. Bislang gibt es nur unzureichende Ansätze, um Potentiale der neuen Technologie ganzheitlich zu bewerten. Da sich KMU durch eine hohe Bedeutung des operativen Geschäftes auszeichnen, wird ein flexibler Ansatz benötigt, der an die jeweilige Situation des Unternehmens angepasst werden kann. Entsprechend der firmenindividuellen Zielstellung werden geeignete Arbeitsplätze für den Einsatz von MRK identifiziert und deren Potentiale in verschiedenen Realisierungsvarianten bewertet. Die entwickelte Vorgehensweise wird anhand von Fallstudien mit drei produzierenden Unternehmen aus unterschiedlichen Branchen verifiziert und iterativ verbessert.:Bibliografische Beschreibung Zusammenfassung Abstract Vorwort Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Variablenverzeichnis 1. Einleitung: Motivation und Problemstellung 2. Stand der Wissenschaft und Technik 3. Abgeleitete Forschungsfrage und Zielsetzung der Arbeit 4. Entwicklung Zieldefinition und Metamodell zur Potentialbewertung von MRK 5. Entwicklung flexibler Modelle gemäß Metamodell 6. Verifizierung der entwickelten flexiblen Modelle anhand von Fallstudien 7. Bewertung der Forschungsergebnisse 8. Zusammenfassung 9. Ausblick Quellennachweise Anhang / In the thesis, a methodology is developed to identify improvement potentials in manufacturing small and medium-sized enterprises (SMEs) through the use of human-robot-interaction (HRI). The challenge in the application is the development of objective evaluation criteria to assess the effects of possible implementation variants economically, socially, ecologically and technically-technologically. So far, there are only insufficient approaches to evaluate potentials of the new technology holistically. Since SMEs are characterized by a high importance of the operational business, a flexible approach is needed, which can be adapted to the respective situation of the company. According to the company's individual objectives, suitable workplaces for the use of HRI are identified and their potentials are evaluated in different realization variants. The developed approach will be verified and iteratively improved by means of three case studies with manufacturing companies from different industries.:Bibliografische Beschreibung Zusammenfassung Abstract Vorwort Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Variablenverzeichnis 1. Einleitung: Motivation und Problemstellung 2. Stand der Wissenschaft und Technik 3. Abgeleitete Forschungsfrage und Zielsetzung der Arbeit 4. Entwicklung Zieldefinition und Metamodell zur Potentialbewertung von MRK 5. Entwicklung flexibler Modelle gemäß Metamodell 6. Verifizierung der entwickelten flexiblen Modelle anhand von Fallstudien 7. Bewertung der Forschungsergebnisse 8. Zusammenfassung 9. Ausblick Quellennachweise Anhang

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines mikromechanischen kraftgekoppelten Schwingsystems für die resonante Detektion niederfrequenter Schwingungen. Es wird ein neuartiges Prinzip vorgestellt, das es ermöglicht, niederfrequente Vibrationen frequenzselektiv zu erfassen. Mittels Amplitudenmodulation wird das niederfrequente Signal in einen höheren Frequenzbereich umgesetzt. Durch Ausnutzung der mechanischen Resonanzüberhöhung wird aus dem breitbandigen Signal ein schmales Band herausgefiltert, die anderen Frequenzbereiche werden unterdrückt. Auf diese Weise wird direkt die spektrale Information des niederfrequenten Signals gewonnen. Eine Fourier-Transformation ist hierbei nicht notwendig. Die Abstimmung des Sensors erfolgt über eine Wechselspannung und führt dadurch zu einer einfachen Auswertung. Die Schwerpunkte der Arbeit liegen in den theoretischen Untersuchungen zum neuartigen Sensorprinzip, in der Entwicklung einer mikromechanischen Sensorstruktur zum Einsatz des neuen Prinzips sowie in der Entwicklung und Charakterisierung eines Messsystems zur Detektion niederfrequenter mechanischer Schwingungen mit dem neuen Sensor. / This thesis describes the development and characterization of a micromechanical force coupled oscillator system for the resonant detection of low frequency vibrations. It presents a novel working principle that enables spectral measurements of low frequency vibrations. The low frequency spectral content is converted into a higher frequency range by means of amplitude modulation. Due to the mechanical resonance a narrow band is filtered out of the wide band vibration signal. The remaining frequency content is suppressed. Hence, the spectral information is directly obtained with the sensor system without a fast Fourier transform. The tuning is done with an AC voltage resulting in a simple analysis. The main focuses of the work are the theoretical analysis of this novel sensor principle, the development of the micromechanical sensor structure for the use of the novel principle as well as the development and characterization of a measurement system for the spectral detection of low frequency mechanical vibrations with the developed sensor system.

OpenStreetMap (OSM) konnte sich seit der Gründung 2004 sehr schnell etablieren und stellt mittlerweile eine konkrete Alternative gegenüber vergleichbaren kommerziellen Anwendungen dar. Dieser Erfolg ist eindeutig auf das revolutionäre Grundkonzept des Projektes zurückzuführen. Weltweit werden räumliche Daten durch Mitglieder erhoben und dem Projekt OSM zur Verfügung gestellt. Über die zugrunde liegenden Lizenzbestimmungen wird sichergestellt, dass OSM-Daten frei verfügbar und kostenfrei weiter verwendbar sind. Vor allem die Vorstellung der Unabhängigkeit von proprietären Daten hat zu starker, weiterhin zunehmender globaler Beteiligung geführt. Resultierend daraus erreichen die verfügbaren Daten inzwischen hohe Dichte sowie Genauigkeit. Visualisierungen in Form von interaktiven, frei skalierbaren Weltkarten, welche über die vollständig automatisierten Softwarelösungen Mapnik und Osmarender erstellt werden, sind am weitesten verbreitet. Infolgedessen müssen kartographische Grundsätze und Regeln formalisiert und implementiert werden. Insbesondere in Bezug auf kartographische Generalisierung treten teils erhebliche Mängel in den entsprechenden Umsetzungen auf. Dies bildet den Ausgangspunkt der Untersuchung. Ausgehend von einer Ist-Analyse werden vorhandene Defizite identifiziert und anschließend Möglichkeiten zur Integration von Generalisierungsfunktionalitäten untersucht. Aktuelle Entwicklungen streben die Anwendung interoperabler Systeme im Kontext kartographischer Generalisierung an, mit dem Ziel Generalisierungsfunktionalitäten über das Internet bereitzustellen. Grundlage hierfür bilden die vom Open Geospatial Consortium (OGC) spezifizierten Web Processing Services (WPS). Sie ermöglichen die Analyse und Verarbeitung räumlicher Daten. In diesem Zusammenhang werden Web Generalization Services (WebGen-WPS) auf mögliche Integration in die Softwarelösungen untersucht und bilden somit einen zentralen Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit. Mapnik stellt, nicht zuletzt durch dessen offengelegten Quelltext („Open Source“), optimale Voraussetzungen für jene Implementierungen zur Verfügung. Zur Verarbeitung von OSM-Daten verwendet Mapnik die freie Geodatenbank PostGIS, welche ebenfalls Funktionalitäten zur Analyse und Verarbeitung räumlicher Daten liefert. In diesem Kontext wird zusätzlich untersucht, inwiefern PostGIS-Funktionen Potential zur Anwendung kartographischer Generalisierung aufweisen.:Inhaltsverzeichnis Aufgabenstellung ii Zusammenfassung iii Abstract iv Abbildungsverzeichnis viii Tabellenverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis x 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 2 Grundlagen 5 2.1 OpenStreetMap 5 2.1.1 Ablauf der Erstellung von OSM-Karten 6 2.1.2 Mapnik 9 2.2 Web Services 12 2.2.1 OGC Web Processing Services 12 2.2.2 Web Generalization Services 14 2.2.3 Verkettung von OGC Web Services 16 2.3 Kartographische Generalisierung 17 2.3.1 Konzeptionelle Modellvorstellungen 18 2.3.2 Generalisierungsoperatoren 22 3 OpenStreetMap & Generalisierung – aktueller Stand 24 3.1 Allgemeine Analyse und Kritik 25 3.2 OSM & konzeptionelle Modelle 28 4 Theoretische Überlegungen 31 4.1 Einbindung des WebGen-WPS 32 4.1.1 Direkteinbindung des WebGen-WPS 32 4.1.2 Einbindung von WebGen-WPS für „MRDB-OSM“ 34 4.2 PostGIS-Funktionen 36 4.3 OpenStreetMap - Generalisierungscommunity 38 5 Implementierungen & Ergebnisse 40 5.1 Technische Voraussetzungen 41 5.1.1 Systemvoraussetzungen 41 5.1.2 Testgebiet 41 5.2 Einbindung des WebGen-WPS in Mapnik 42 5.2.1 Einbindung in den automatischen Prozess 42 5.2.1.1 Allgemeiner Programmablauf 43 5.2.1.2 Implementierungsansätze 44 5.2.2 Praktische Umsetzung einer „MRDB-OSM“ 47 5.2.2.1 Verfahrensablauf 48 5.2.2.2 Polygonvereinfachung 51 5.2.2.3 Linienvereinfachung 57 5.3 Implementierung von PostGIS-Funktionen 59 5.3.1 Auswahl 59 5.3.2 Betonung 60 5.3.3 Linienvereinfachung 61 5.3.4 Polygonvereinfachung 61 6 Schlussfolgerungen und Ausblicke 65 6.1 Diskussion der Ergebnisse 65 6.2 Fazit 71 7 Quellennachweise 72 7.1 Literaturverzeichnis 72 7.2 Internetquellennachweis (ohne eindeutige Autoren) 77 8 Anhang 79 / OpenStreetMap (OSM) has established very quickly since its founding in 2004 and has become a suitable alternative to similar commercial applications. This success is clearly due to the revolutionary concept of the project. Spatial data is collected by members world-wide and is provided to the project OSM. The underlying license aggreement ensures that OSM-Data is freely available and can be used free of charge. Primarily, the idea of independence from proprietary data has led to strong, still growing, global participation. Resulting from that, the available data is now achieving high density and accuracy. Visualizations in form of interactive, freely scalable maps of the world, which are constructed by the fully automated software solutions Mapnik and Osmarender are most common. In consequence cartographic principles and rules must be formalized and implemented. Particularly with respect to cartographic generalization, some serious faults appear in the corresponding implementations. This is the starting point of this diploma thesis. Based on an analysis of the current state, actual existing deficiencies are identified and then examined for possibilities to integrate generalization functionalities. Recent developments aim at the deployment of interoperable systems in the context of cartographic generalization, with the intention of providing generalization functionalities over the Internet. This is based on Web Processing Services (WPS) that where developed by the Open Geospatial Consortium (OGC). They enable the analysis and processing of spatial data. In this context, Web Generalization Services (Webgen-WPS) are examined for possible integration into the software solutions and represent therefore a central object of investigation within that examination. Mapnik provides, not least through its “open source” code, ideal conditions for those implementations. Mapnik uses the “open source” spatial database PostGIS for the processing of OSM-Data, which also provides capabilities to analyze and process spatial data. In this context is examined in addition, to what extent the features have potential for implementation of cartographic generalization.:Inhaltsverzeichnis Aufgabenstellung ii Zusammenfassung iii Abstract iv Abbildungsverzeichnis viii Tabellenverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis x 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 2 Grundlagen 5 2.1 OpenStreetMap 5 2.1.1 Ablauf der Erstellung von OSM-Karten 6 2.1.2 Mapnik 9 2.2 Web Services 12 2.2.1 OGC Web Processing Services 12 2.2.2 Web Generalization Services 14 2.2.3 Verkettung von OGC Web Services 16 2.3 Kartographische Generalisierung 17 2.3.1 Konzeptionelle Modellvorstellungen 18 2.3.2 Generalisierungsoperatoren 22 3 OpenStreetMap & Generalisierung – aktueller Stand 24 3.1 Allgemeine Analyse und Kritik 25 3.2 OSM & konzeptionelle Modelle 28 4 Theoretische Überlegungen 31 4.1 Einbindung des WebGen-WPS 32 4.1.1 Direkteinbindung des WebGen-WPS 32 4.1.2 Einbindung von WebGen-WPS für „MRDB-OSM“ 34 4.2 PostGIS-Funktionen 36 4.3 OpenStreetMap - Generalisierungscommunity 38 5 Implementierungen & Ergebnisse 40 5.1 Technische Voraussetzungen 41 5.1.1 Systemvoraussetzungen 41 5.1.2 Testgebiet 41 5.2 Einbindung des WebGen-WPS in Mapnik 42 5.2.1 Einbindung in den automatischen Prozess 42 5.2.1.1 Allgemeiner Programmablauf 43 5.2.1.2 Implementierungsansätze 44 5.2.2 Praktische Umsetzung einer „MRDB-OSM“ 47 5.2.2.1 Verfahrensablauf 48 5.2.2.2 Polygonvereinfachung 51 5.2.2.3 Linienvereinfachung 57 5.3 Implementierung von PostGIS-Funktionen 59 5.3.1 Auswahl 59 5.3.2 Betonung 60 5.3.3 Linienvereinfachung 61 5.3.4 Polygonvereinfachung 61 6 Schlussfolgerungen und Ausblicke 65 6.1 Diskussion der Ergebnisse 65 6.2 Fazit 71 7 Quellennachweise 72 7.1 Literaturverzeichnis 72 7.2 Internetquellennachweis (ohne eindeutige Autoren) 77 8 Anhang 79