HINTERGRUND UND ZIELE: Es ist allgemein anerkannt, dass neben Umweltfaktoren auch erbliche Faktoren in hohem Maße für interindividuelle Unterschiede in der Wirkweise von Arzneimitteln ursächlich sind. Die Spannweite der Arzneimittelwirkung bei gleicher Dosis kann individuell von Therapieversagen bis hin zu toxischer Überdosierung reichen und ist dabei stark von Arzneimittel-metabolisierenden Enzymen und Transportern beeinflusst. Genetische Varianten können teilweise interindividuelle Unterschiede in der Aktivität dieser Enzyme und Transporter erklären. Es bleibt jedoch unbekannt, wie viel der Variation in der Aktivität durch Erblichkeit bedingt ist und nicht durch bereits bekannte genetische Varianten erklärt werden kann. Primäres Ziel der Studie war es, diesen unbekannten erblichen Anteil in der Variation der Aktivität der Enzyme CY2D6 und CYP2C9 sowie des Transporters OATP1B1 zu quantifizieren. METHODEN: Die Erblichkeit in der Variation der Aktivität von CY2D6, CYP2C9 und OATP1B1 wurde in 20 mono- und 9 dizygoten, gleichgeschlechtlichen Zwillingspaaren untersucht. Die Testsubstanzen Metoprolol (CYP2D6) und Torasemid (CYP2C9 und OATP1B1) wurden jedem Studienteilnehmer wiederholt verabreicht und die Fläche unter der Kurve bis unendlich (AUC0-inf) für jedes Medikament und seinen Metaboliten als Marker der Enzym- (CYP2D6, CYP2C9) und Transporter- (OATP1B1) Aktivitäten bestimmt. Erblichkeit wurde mithilfe von Formeln mit den Korrelationskoeffizienten der Geschwister in den Gruppen mono- und dizygote Zwillingspaare, durch eine Strukturgleichungsmodellierung und durch Vergleich der intra- und interindividuellen Variation berechnet. ERGEBNISSE: Es wurde ein hohe Erblichkeit in der Variation der Aktivität von CYP2D6, CYP2C9 und OATP1B1 berechnet. Für CYP2D6 lag die Erblichkeit bei 88,5% -100%, für CYP2C9 und OATP1B1 bei 81% - 100%. Die bekannten genetischen Varianten konnten lediglich einen geringen Anteil der Variation in der AUC0-inf in der Studienpopulation erklären (38,2% durch genetische Varianten in CYP2D6, 6,5% durch genetische Varianten in CYP2C9 und 20,4% durch genetische Varianten in OATP1B1). FAZIT: Die Berechnungen zeigen, dass Erblichkeit einen großen Einfluss auf die Variation in der Aktivität der Enzyme CYP2D6, CYP2C9 und den Transporter OATP1B1 hat. Bekannte genetische Varianten können hiervon nur einen Teil erklären. Weitere Untersuchungen zu genetischen Regulation der Wirkweise von Arzneimitteln erscheinen vielversprechend.

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

Beim Entwurf von Bauwerken herrschen nach wie vor große Modellunsicherheiten aufgrund von Unterbemessungen. Trotz der Anwendung hoher Sicherheitsfaktoren wird die Erfüllung der Sicherheitsanforderungen an Bauwerke wegen steigender Sicherheitsbedürfnisse der Gesellschaft und daraus resultierender Vorschriften immer aufwändiger. Eine Reduktion der Sicherheitsfaktoren und damit materielle und zeitliche Einsparungen bei Bauwerken sowie Konstruktions- und Überwachungsprozessen erfordert neue Methoden für eine zuverlässigere Vorhersage des Bauwerksverhaltens. Das seit Langem bekannte Verfahren der Systemidentifikation durch Parameterstudien ist hierbei aufgrund fehlender Werkzeugunterstützung und daraus resultierendem hohen manuellen Aufwand bisher nicht geeignet, um ein hinreichend genaues Ergebnis zur Reduktion der Sicherheitsfaktoren bei gleichbleibendem nachweisbaren Sicherheitsniveau zu liefern. Die hier entwickelte Automatisierung des Prozesses der neuartigen simulationsbasierten Systemidentifikation ermöglicht die Durchführung von Parameterstudien mit einer ausreichend großen Anzahl von Modellvarianten, um realitätsnahe Systeme für hinreichend genaue Verhaltensvorhersagen bereitzustellen. Für die simulationsbasierte Systemidentifikation wird ein neues generisches Software-gestütztes Prozessmodell konzipiert, das an wechselnde Anforderungen adaptiert und in komplexe Optimierungsverfahren integriert werden kann. Die Simulations- und Hilfsprozesse sind in Building Information Modeling (BIM) eingebettet, wobei mit Hilfe der Multimodellmethode ein gemeinsamer Datenraum für einen komplexen Digital Twin (DT) geschaffen wird. Als Basisarchitekturkonzept für die Umsetzung des entwickelten Prozessmodells im Rahmen eines DT dient das integrated Virtual Engineering Laboratory (iVEL). Dieses definiert Merkmale sowie Anforderungen für die konkrete Umsetzung eines integrierten DT in einer Software-Plattform. Zur Maximierung der Adaptierbarkeit bei der Erstellung bzw. Anpassung iVEL-basierter DT an unterschiedliche Aufgabenstellungen wird das BIMgrid-Framework entwickelt und in Java formalisiert. Dieses kapselt elementare Funktionen in Services, die anwendungsfallspezifisch zur Lösung komplexer Aufgaben kombiniert und durch Workflows gesteuert werden. Im Mittelpunkt stehen dabei die Erforschung einer grundlegenden Prozessinfrastruktur zur automatisierten Durchführung simulationsbasierter Systemidentifikationen, eine BIM-basierte Datenverwaltung auf der Grundlage von Multimodellen sowie die Anwendung moderner Web-Prinzipien zur Unterstützung kollaborativer Projekt-Teams. Eine Referenzimplementierung des Frameworks demonstriert die Umsetzbarkeit des Konzeptes und dient als Ausgangspunkt zur Implementierung eigener iVEL-basierter DT.:Vorwort iii Kurzfassung iv Abstract v 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Zielsetzung und Forschungshypothesen . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Lösungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 Stand der Forschung 10 2.1 BIM Plattformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Microservice-basierte Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Modellierung und Automatisierung komplexer Prozesse . . . . . . . 16 2.4 Digital Twins im Bauingenieurwesen und Maschinenbau . . . . . . 21 2.5 Multimodellbasierte Datenverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.6 Methoden zur Systemidentifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.7 Das Virtuelle Energielabor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3 Generischer Prozess für simulationsbasierte Systemidentifikationen 32 3.1 Simulationsbasierte Systemidentifikationen im Bauwesen . . . . . . 32 3.2 Variantendefinition und Variantengenerierung . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Reduktion der Modellkandidaten durch Sensitivitätsanalyse . 36 3.2.2 Strategien zur Variantengenerierung . . . . . . . . . . . . . 37 3.3 Anforderungen an das IT-gestützte Prozessmodell . . . . . . . . . . 38 3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4 Adaptierbares Prozessmodell für IT-gestützte Simulationsaufgaben 42 4.1 Logische und technische Abstraktionsstufen von Prozessen . . . . . 42 4.2 Ein generisches Prozessmodell für simulationsbasierte Systemidentifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3 Bewertung des Prozessmodells hinsichtlich der gestellten Anforderungen 46 4.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5 BIM-basierte Verwaltung von Digitalen Zwillingen mit Multimodellen 50vii 5.1 Evolution integrierter Digitaler Zwillinge im Gebäudelebenszyklus . 50 5.2 Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6 Ein generisches IT-Framework für Digitale Zwillinge auf Basis virtueller Labore 57 6.1 Das Virtuelle Labor zur Simulation von Ingenieursystemen . . . . . 58 6.1.1 GeoTech Control-Plattform zur Sicherheitsüberwachung des Bauprozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.1.2 Virtuelles Energielabor zur Optimierung der Energiebilanz von Gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.1.3 Gegenüberstellung der Referenzimplementierungen eines Virtuellen Labors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.1.4 Das Konzept des integrierten Virtuellen Ingenieurlabors . . . 62 6.2 Das BIMgrid Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.2.1 Funktionalität des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . 64 6.2.2 Architektur des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . 65 6.2.3 Orchestration Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.2.4 Workflow Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.2.5 Business Core Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.2.6 Multimodel Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.3 Schichtenmodell für die Verwaltung von Digitalen Zwillingen . . . 75 6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 7 Detaillierung und Implementierung eines integrierten Digitalen Zwillings auf Basis des BIMgrid Frameworks 80 7.1 Vorbereitende strategische Schritte zur Instanziierung des Frameworks 81 7.2 Referenzimplementierung des Frameworks . . . . . . . . . . . . . . 82 7.2.1 Eingesetzte Technologien und Frameworks . . . . . . . . . 83 7.2.2 REST-basierte Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.2.3 Ressourcenverwaltung und Skalierbarkeit . . . . . . . . . . 89 7.2.4 Workflow Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 7.2.4.1 Konfiguration anwendungsspezifischer Workflows 91 7.2.5 Business Core Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.2.6 Multimodel Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.2.7 Frontend des Digitalen Zwillings . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2.8 Service-Orchestrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8 Evaluation des BIMgrid Frameworks anhand zweier Implementierungen unterschiedlicher funktionaler Anwendungen 103 8.1 Ein Digitaler Zwilling für Optimierungen in der Bauphase . . . . . 104 8.1.1 GeoProduction Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8.1.2 GeoProduction Digitaler Zwilling auf Basis des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.1.3 Multimodellbasierte Datenverwaltung des Digital Twin . . . 111 8.1.3.1 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.2 Ein virtuelles Labor zur Brückenüberwachung . . . . . . . . . . . . 114viii 8.2.1 cyberBridge Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.2.2 cyberBridge Digitaler Zwilling auf Basis des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 8.2.3 Multimodell des Digital Twin . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.2.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 8.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 9 Diskussion und Ausblick 126 9.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 9.2 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.3 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.3.1 Einsatz Künstliche Intelligenz (KI)-basierter Methoden zur Steigerung der Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.3.2 Automatisierung der Link-Erzeugung in multimodellbasierten Digital Twins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.3.3 Weiterentwicklung des iVEL-Konzeptes zur automatisierten Steuerung von Abläufen und Geräten . . . . . . . . . . . . 135 9.3.4 Berücksichtigung juristischer Aspekte bei kollaborativen Nutzung verteilter Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 A Implementierung eines integrierten Digitalen Zwillings auf Basis des BIMgrid Frameworks 137 Literaturverzeichnis 141 Eigene Publikationen 150 / When designing buildings, there are still major model uncertainties because of undersizing. Despite the application of high safety factors, meeting security requirements for buildings is becoming more and more difficult due to the increasing security needs of society and the resulting regulations. A reduction in safety factors and therefore material and time savings in buildings, as well as construction and monitoring processes requires new methods for more reliable prediction of structural behavior. The method of system identification through parameter studies, which has been known for a long time, was not suitable for a sufficiently accurate result due to the lack of tool support and the resulting high manual effort to reduce the safety factors while maintaining the same verifiable safety level. Automating the process of the novel simulation-based system identification enables parametric studies to be performed with a large enough number of model variants to provide realistic systems for sufficiently accurate behavioral predictions. A softwaresupported process model is created for the simulation-based system identification, which can be adapted to changing requirements and integrated into complex optimization processes. The simulation and auxiliary processes are embedded in BIM, whereby a common data space for a complex DT is created with the help of the multimodel method. The iVEL serves as a basic architectural concept for the implementation of the developed process model as part of a DT. It defines features and requirements for the concrete implementation of an integrated DT in a software platform. In order to maximize adaptability when creating or adapting iVEL-based DT to different application scenarios, the BIMgrid framework is developed and formalized in Java. Elementary functions are encapsulated in services, which are combined in a specific application to solve complex tasks and which are controlled by workflows. The focus is on researching a basic process infrastructure for the automated execution of simulationbased system identifications, BIM-based data management based on multimodels and the application of modern web principles to support collaborative project teams. A reference implementation of the framework demonstrates the feasibility of the concept and serves as a starting point for implementing your own iVEL-based DT.:Vorwort iii Kurzfassung iv Abstract v 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Zielsetzung und Forschungshypothesen . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Lösungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 Stand der Forschung 10 2.1 BIM Plattformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Microservice-basierte Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Modellierung und Automatisierung komplexer Prozesse . . . . . . . 16 2.4 Digital Twins im Bauingenieurwesen und Maschinenbau . . . . . . 21 2.5 Multimodellbasierte Datenverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.6 Methoden zur Systemidentifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.7 Das Virtuelle Energielabor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3 Generischer Prozess für simulationsbasierte Systemidentifikationen 32 3.1 Simulationsbasierte Systemidentifikationen im Bauwesen . . . . . . 32 3.2 Variantendefinition und Variantengenerierung . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Reduktion der Modellkandidaten durch Sensitivitätsanalyse . 36 3.2.2 Strategien zur Variantengenerierung . . . . . . . . . . . . . 37 3.3 Anforderungen an das IT-gestützte Prozessmodell . . . . . . . . . . 38 3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4 Adaptierbares Prozessmodell für IT-gestützte Simulationsaufgaben 42 4.1 Logische und technische Abstraktionsstufen von Prozessen . . . . . 42 4.2 Ein generisches Prozessmodell für simulationsbasierte Systemidentifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3 Bewertung des Prozessmodells hinsichtlich der gestellten Anforderungen 46 4.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5 BIM-basierte Verwaltung von Digitalen Zwillingen mit Multimodellen 50vii 5.1 Evolution integrierter Digitaler Zwillinge im Gebäudelebenszyklus . 50 5.2 Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6 Ein generisches IT-Framework für Digitale Zwillinge auf Basis virtueller Labore 57 6.1 Das Virtuelle Labor zur Simulation von Ingenieursystemen . . . . . 58 6.1.1 GeoTech Control-Plattform zur Sicherheitsüberwachung des Bauprozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.1.2 Virtuelles Energielabor zur Optimierung der Energiebilanz von Gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.1.3 Gegenüberstellung der Referenzimplementierungen eines Virtuellen Labors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.1.4 Das Konzept des integrierten Virtuellen Ingenieurlabors . . . 62 6.2 Das BIMgrid Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.2.1 Funktionalität des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . 64 6.2.2 Architektur des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . 65 6.2.3 Orchestration Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.2.4 Workflow Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.2.5 Business Core Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.2.6 Multimodel Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.3 Schichtenmodell für die Verwaltung von Digitalen Zwillingen . . . 75 6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 7 Detaillierung und Implementierung eines integrierten Digitalen Zwillings auf Basis des BIMgrid Frameworks 80 7.1 Vorbereitende strategische Schritte zur Instanziierung des Frameworks 81 7.2 Referenzimplementierung des Frameworks . . . . . . . . . . . . . . 82 7.2.1 Eingesetzte Technologien und Frameworks . . . . . . . . . 83 7.2.2 REST-basierte Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.2.3 Ressourcenverwaltung und Skalierbarkeit . . . . . . . . . . 89 7.2.4 Workflow Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 7.2.4.1 Konfiguration anwendungsspezifischer Workflows 91 7.2.5 Business Core Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.2.6 Multimodel Engine Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.2.7 Frontend des Digitalen Zwillings . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2.8 Service-Orchestrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8 Evaluation des BIMgrid Frameworks anhand zweier Implementierungen unterschiedlicher funktionaler Anwendungen 103 8.1 Ein Digitaler Zwilling für Optimierungen in der Bauphase . . . . . 104 8.1.1 GeoProduction Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8.1.2 GeoProduction Digitaler Zwilling auf Basis des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.1.3 Multimodellbasierte Datenverwaltung des Digital Twin . . . 111 8.1.3.1 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.2 Ein virtuelles Labor zur Brückenüberwachung . . . . . . . . . . . . 114viii 8.2.1 cyberBridge Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.2.2 cyberBridge Digitaler Zwilling auf Basis des BIMgrid Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 8.2.3 Multimodell des Digital Twin . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.2.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 8.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 9 Diskussion und Ausblick 126 9.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 9.2 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.3 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.3.1 Einsatz Künstliche Intelligenz (KI)-basierter Methoden zur Steigerung der Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.3.2 Automatisierung der Link-Erzeugung in multimodellbasierten Digital Twins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.3.3 Weiterentwicklung des iVEL-Konzeptes zur automatisierten Steuerung von Abläufen und Geräten . . . . . . . . . . . . 135 9.3.4 Berücksichtigung juristischer Aspekte bei kollaborativen Nutzung verteilter Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 A Implementierung eines integrierten Digitalen Zwillings auf Basis des BIMgrid Frameworks 137 Literaturverzeichnis 141 Eigene Publikationen 150

For manufacturers of complex interdisciplinary system solutions, the Digital Thread is an essential element that serves as the backbone of technical and organizational data flows. This study proposes a graph-based Digital Thread that integrates a Digital Model and a derived Digital Twin in a native graph database in a polyglot architecture. The approach includes dynamic processes such as advanced interdisciplinary change management and additional data from different lifecycle phases, using objects and relations described by attributes to minimize redundancy while enabling view creation and filtering. Companies often have discipline-oriented IT landscapes that create data silos and prevent contextbased integration of data and process models. The Digital Thread as a backbone represents an approach to overcome these silos as a system lifecycle-spanning system.

Die Nutzung von Augmented Reality (AR) stellt eine Vielzahl von Lösungsansätzen für Herausforderungen unterschiedlicher Bereiche, z.B. der Industrie, Medizin, Unterhaltungsmedien und Bildung, zur Verfügung. Speziell werden hier die Möglichkeiten von AR in der Fertigungsindustrie, genauer bei der Abnahme elektrischer Antriebe der Siemens AG, betrachtet. Dabei werden unter anderem messbare Größen wie Drehmoment, Ankerstrom, -spannung, Drehzahl, Schwingungen, Fertigungstoleranzen etc. gemessen, aber auch nicht quantifizierbare Größen wie Sichtprüfungen von Schweißnähten und Lackierung in Betracht gezogen. Angestrebt wird eine Methode, welche es zukünftig ermöglicht, die Inbetriebnahme ortsunabhängig zu verfolgen und Inspektionen aus der Ferne durchzuführen. Die Herausforderung liegt dabei darin, eine zumindest gleichwertige, wenn nicht sogar verbesserte Erfahrung und Prüfergebnisvalidität für die Beteiligten gegenüber der vor Ort Abnahme zu erzeugen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde in interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen Ingenieur/-innen und Sozialwissenschaftler/-innen ein Demonstrator-Konzept für eine ortsunabhängige Maschinenabnahme entwickelt.

Themen wie Verfügbarkeit der Rohstoffe, Materialsubstitution, Umweltverträglichkeit, Schonung der Ressourcen, aber auch Produktionskosten werden immer häufiger als Bewertungskriterien herangezogen. Die Notwendigkeit der intensiven Zusammenarbeit unterschiedlicher Fachdisziplinen rückt immer mehr in den Mittelpunkt, wenn innovative Lösungen für neue Anwendungen gefragt sind. Das Projekt AMARETO wurde mit dem Ziel initiiert, im Rahmen einer engen Kooperation der TU Bergakademie Freiberg, der TU Dresden, der TU Chemnitz und des Fraunhofer IWU deren herausragende Spitzenforschung zusammenzuführen und praxisnah umzusetzen, um die anwendungsnahe Forschung weiter voranzutreiben und den wissenschaftlichen Vorlauf in Sachsen wertschöpfend zu verankern. Unter dem Motto »Vom Werkstoff zum ressourcenschonenden Produkt« trafen sich am 31. Mai 2018 Vertreter von Politik, Wirtschaft und Wissenschaft in Chemnitz zum ersten AMARETO-Kolloquium, um aktuelle Fragestellungen in den Bereichen Werkstoff-, Bauteil und Prozessentwicklung zu diskutieren. Im vorliegenden Tagungsband berichten die Projektmitarbeiter und -leiter gemeinsam über ihre aktuellen Forschungsergebnisse. Wesentlicher Ansatz des Projekts AMARETO ist es, die im Rahmen der Produktentstehung zu bearbeitenden Teilaufgaben – Entwicklung der Werkstoffe, Gestaltung und Dimensionierung von Bauteilen sowie Erarbeitung von Produktionsstrategien – enger miteinander zu verknüpfen und parallel sowie abgestimmt zu bearbeiten. Dies spiegelt sich im Tagungsband durch die Einbeziehung der Bereiche Smart Material, Smart Design und Smart Production wider. / Topics such as availability of raw materials, material substitution, environmental compatibility, conservation of resources, but also production cost are increasingly used as criteria for evaluation. The need for intensive cooperation between different disciplines becomes more and more important when innovative solutions for new applications are required. The AMARETO project was initiated with the aim of bringing together the outstanding top-level research of TU Bergakademie Freiberg, TU Dresden, TU Chemnitz and Fraunhofer IWU within the framework of close cooperation. A further project goal is the implementation of this research in a practical manner in order to further advance application-oriented research and anchor the scientific lead in Saxony in a value-adding manner. On 31 May, 2018 representatives from politics, industry and science met in Chemnitz for the first AMARETO colloquium under the heading 'From material to resource-saving product' to discuss current issues in the areas of development regarding materials, components and processes. In these conference proceedings, the project members and managers report together on their current research results. The main approach of the AMARETO project is to closely link the required subtasks of product development with each other - development of materials, design and dimensioning of components as well as the development of production strategies - and to work on them in parallel and in a coordinated manner. This is reflected in the conference proceedings due to the inclusion of the areas of Smart Material, Smart Design and Smart Production.

Virtualization of products means the representation of some of their properties by models. In a stronger digitalized world, these models will gain a much broader use than models had in engineering so far. Even for one modelling aspect different models of the same product will be used, depending on the specific need of the model user. That need may change in the course of product life, between first product concepts till over the different phases of development, to product use, maintenance, or even recycling. Since a digitalized world use of these diverse models will not be limited to experts model consistency will play a much stronger role. Model hierarchies will play a stronger role and can serve also as means for teaching product users a deeper understanding of product properties. A consistent model hierarchy leading from a simple to a more advanced property representation can support this learning process. In this paper perturbation methods are analyzed as a means for setting up model hierarchies in a consistent manner. This is studied by models for the behavior of a electrohydraulic drive, which consists of a variable speed motor, a pump, a double stroke cylinder and a counterbalance valve. Model hierarchy is achieved by model reduction in the sense of perturbation theory. The use of these different models for different questions in a system design context and their interrelations are exemplified.

Die Verbesserung der Energie- und Ressourceneffizienz stellt eine zentrale Aufgabe für die Produktionstechnik dar. Inkrementelle Verfahren wie das Drückwalzen weisen bereits aufgrund ihres Prozessprinzips ein hohes Potenzial zur Ressourceneffizienz auf. Allerdings besitzen diese Verfahren eine Vielzahl von Einflussfaktoren auf das Prozessergebnis, die zudem in Wechselwirkung zueinander stehen. Die Folge schwankender Prozesseinflussgrößen (z. B. Chargenschwankungen oder variierende Halbzeuggeometrie) ist häufig Bauteilausschuss, der sich aufgrund der meist kleinen bis mittleren Losgrößen stärker auf die Produktivität auswirkt. Die Weiterentwicklung von gesteuerten zu selbstgeregelten Umformprozessen mit Prozessrückkopplung bietet ein großes Potential zur Verbesserung der Ressourceneffizienz. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Grundlagen und Vorgehensweise zur Realisierung des selbstregelnden Drückwalzens erarbeitet. Nach der Analyse und Bewertung von Störungen auf die Prozesseinflussgrößen erfolgt die Definition eines Referenzzustandes und von Störszenarien. Auf Basis experimenteller Untersuchungen wird der Referenzzustand analysiert und ein digitaler Zwilling des Drückwalzprozesses entwickelt. Mit dessen Hilfe erfolgt die Bewertung der Störszenarien. Anschließend wird ein methodisches Vorgehen vorgestellt, mit dem das selbstregelnde Drückwalzen beliebiger Zielgrößen entwickelt werden kann. Im digitalen Zwilling werden zusätzlich ein virtueller Sensor, der Regelalgorithmus und die Aktordynamik integriert und damit die Selbstregelung für eine Prozessgröße und ein Prozessergebnis ausgelegt und untersucht. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurde das selbstregelnde Drückwalzen erstmals erfolgreich experimentell umgesetzt. Die in der Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen eine signifikante Reduzierung des Einflusses von Prozessstörungen auf das Prozessergebnis durch die Selbstregelung. / Improving energy and resource efficiency is also a key challenge for production technology. Incremental processes such as flow-forming already have a high potential for resource efficiency due to their process principle. Flow-forming has a large number of influencing process parameters that also interact with each other. Fluctuating process parameters (e.g. batch fluctuations or varying semi-finished product geometry) can result in component scrap, which has a major influence on productivity due to the mostly small to medium batch sizes. The further development of controlled to self-controlled forming processes with process feed-back offers great potential for improving resource efficiency. In this thesis, the basics and the procedure for the realization of self-controlled flow-forming are developed. After the analysis and evaluation of disturbances on the process influencing variables, a reference state and disturbance scenarios are defined. The reference state is analyzed on the basis of experimental investigations and a digital twin of the flow-forming process is developed. This is used to evaluate the disturbance scenarios. Subsequently, a methodical procedure is presented to develop self-controlled flow-forming of any process parameter or process result. A virtual sensor, the control algorithm and the actuator dynamics are also integrated into the digital twin to design and investigate the self-control for a process parameter and a process result. Based on the knowledge gained, self-controlled flow-forming was successfully implemented experimentally for the first time. The results show a significant reduction of the influence of process disturbances on the process results.

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