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Implementing human-robot collaboration in highly dynamic environments: Assessment, planning and development

2024 , Bastidas Cruz, Arturo , Jaya, T. , Thiele, Gregor , Krüger, Jörg

Human-robot collaboration (HRC) applications have been slowly making their path in the industry. Although the required hardware and the methods for the planning and development of collaborative robotic applications are mostly already developed, some industrial branches still struggle to implement HRC. This is the case in motorcycle production, where, unlike car production, the assembly line has been optimized for manual work. Based on the use case described above, this paper identifies new requirements of HRC for automated screwing assembly operations in flexible production environments. In order to compensate deviations in the position of the tool relative to the workpiece, a screwing strategy based on force control is proposed. Parameter sensitivity is considered and supported experimentally with a screwing task performed by a cobot, where a method for contact detection between the nutrunner and the screw head is analyzed. This paper brings a guideline for experts from the manufacturing system engineering to implement HRC in highly dynamic assembly environments.

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Laser-Pulver-Auftragschweißen von funktional gradierten Materialien auf Cobalt-Chrom Basis

2023-11 , Marquardt, Raphael , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Um Bauteile vor Verschleiß und Korrosion zu schützen werden Beschichtungen aus resistenteren Materialien aufgetragen. Hierzu zählen unter anderen die Legierungen auf Cobalt-Chrom Basis. Der diskrete Materialsprung ist jedoch unter thermischen und mechanischen Belastungen häufig Ursache für das Versagen der Beschichtung. In dieser Arbeit werden daher Materialgradierungen von verschiedenen Stahllegierungen zu einer Cobalt-Chrom Basislegierung untersucht. Die Ergebnissen werden dafür auch mit Resultaten zu vorangegangenen Untersuchungen verglichen. Kern der Arbeit bilden geätzte Schliffbilder der Materialpaarungen und Auswertungen mittels Farbeindringprüfung sowie die metallografische Bestimmung der Porosität. Ziel der Arbeit ist ein defektfreier Aufbau der funktional gradierten Materialpaarungen.

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Conception and Requirements Identification of Gaia-X-Based Service Offerings

2023-08-10 , Tanrikulu, Cansu , Gogineni, Sonika , Kondak, Konstantin , Lindow, Kai

Gaia-X is an initiative to develop the next generation of a secure and federated European data infrastructure to promote digital sovereignty for data exchange to fuel innovations. This paper introduces the basics of Gaia-X, in particular the mobility domain, followed by the federated system and its standards. In addition, a research methodology is presented to help conceptualize and derive requirements for service offerings on a Gaia-X-based data space. This is elaborated with a use case from the project "GAIA-X4 AMS" (Gaia-X4-Advanced Mobility Services), which reflects implementation in Gaia-X ecosystems and its added value.

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Feasibility study of joining of carbon fibre-reinforced polymer composites and aluminium alloys by electron beam welding for use in lightweight construction

2023-05-12 , Yalcinyüz, Behiye Aybike , Brunner-Schwer, Christian , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

In recent years, new solutions to reduce the weight of components used in the automotive, railway, and aircraft industries have been researched. Carbon Fibre Composites (CFC) have been used to replace metals in products requiring lightweight construction, such as aircraft or high-performance vehicles due to their exceptional mechanical strength. However, the use of CFCs is limited by the reason of their poor thermal conductivity, particularly on components requiring effective dissipation of power losses. To respond to the requirements, the idea of the material combination of metals and polymer-based composites is proposed. In this study, electron beam welding is used for the joining of aluminium alloys and polymer-based composites. Within the experiments, the relevant process parameters such as beam current, welding speed, and heat input have been optimized to achieve the welding of the aluminium alloys. Then, the joining of aluminium alloys and carbon fibre-reinforced polymer composites has been investigated through the optimized welding process parameters for aluminium alloys. Conclusions are drawn regarding the carbon-fibre reinforced polymer composites (PA6-CF) and aluminium alloys (AlMg3) being joinable through electron beams.

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Comparison of Ethereum Smart Contract Analysis and Verification Methods

2024 , Happersberger, Vincent , Jäkel, Frank-Walter , Knothe, Thomas , Pignolet, Yvonne Anne , Schmid, Stefan

Ethereum allows to publish and use applications known as smart contracts on its public network. Smart contracts can be costly for users if erroneous. Various security vulnerabilities have occurred in the past and have been exploited causing the loss of billions of dollars. Therefore, it is in the developer’s interest to publish smart contracts that serve their intended purpose only. In this work, we study different approaches to verify if Ethereum smart contracts behave as intended and how to detect possible vulnerabilities. To this end, we compare and evaluate, different formal verification tools and tools to automatically detect vulnerabilities. Our empirical comparison of 140 smart contracts with known vulnerabilities shows that different tools vary in their success to identify issues with smart contracts. In general, we find that automated analysis tools often miss vulnerabilities, while formal verifiers based on model checking with Hoare-style source code annotations require high effort and knowledge to discover possible weaknesses. Specifically, some vulnerabilities (e.g., related to bad randomness) are not detected by any of the tools. Formal verifiers perform better than automated analysis tools as they detect more vulnerabilities and are more reliable. One of the automated analysis tools was able to find only three out of 16 Access Control vulnerabilities. On the contrary, formal verifiers have a hundred percent detection rate for selected tests. As a case study with a smart contract without previously known vulnerabilities and for a more in-depth evaluation, we examine a smart contract using a two-phase commit protocol mechanism which is key in many smart contract applications. We use the presented tools to analyze and verify the contract. Thereby we come across different important patterns to detect vulnerabilities e.g. with respect to re-entrancy, and how to annotate a contract to prove that intended the restriction and requirements hold at any time.

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Verbesserung der Übertragbarkeit eines künstlichen neuronalen Netzes zur Qualitätsvorhersage beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stählen

2023-09-11 , El-Sari, Bassel , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Eine typische Automobilkarosserie kann bis zu 5000 Widerstandspunktschweißverbindungen aufweisen, welche hohen Qualitätsanforderungen genügen müssen. Daher ist eine durchgehende Prozessüberwachung unerlässlich. Die Transformation zur E-Mobilität in der Automobilindustrie und die damit einhergehende Reichweitenproblematik treiben die Entwicklung und Einführung neuer hochfester Stähle an. Dies resultiert in einem gesteigerten Fertigungsaufwand hinsichtlich einer stabilen Prozess-führung in der Fügetechnik. Um diesen Anstieg an Komplexität zu bewältigen, sind die Methoden der künstlichen Intelligenz ein geeignetes Mittel. Mit Ihnen kann, durch Auswertung der Prozessparameter und -signale, die individuelle Schweißpunktqualität sichergesellt werden. Die Vorhersagegenauigkeit von neuen Daten, also das extrapolieren, stellt für die meisten Algorithmen eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein künstliches neuronales Netz zur Vorhersage des Punktdurchmessers von Widerstandspunktschweißungen anhand von Prozessparametern implementiert. Die Vorhersagegenauigkeit und Extrapolationsfähigkeit des Modells wird durch die Auswertung des dynamischen Widerstandssignals verbessert. Um die Extrapolationsfähigkeit zu untersuchen, wird die Vorhersagegenauigkeit des Modells mit Daten getestet, die sich in Bezug auf den Werkstoff und der Beschichtungszusammensetzung deutlich von den Trainingsdaten unterscheiden. Dazu wurden mehrere Schweißexperimente mit Werkstoffen verschiedener Hersteller durchgeführt und nur ein Teil der Daten in das Training einbezogen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen den positiven Einfluss der Prozesssignale auf die Robustheit des Modells und die Skalierbarkeit der Algorithmen künstlicher neuronaler Netze auf Daten außerhalb des Trainingsraums.

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Ontology Based Skill Matchmaking Between Contributors and Projects in Open Source Hardware

2023-08-10 , Konietzko, Erik Paul , Gogineni, Sonika

Open source hardware (OSH) projects are dynamic with respect to those actively participating in them. In addition, often-stated challenges in OSH projects are the difficulty to find suitable collaborators and to motivate them to stay for the longer run. This paper addresses these challenges to balance the workload between the project core team and the community. For this purpose, an ontology-based demonstrator for skill-based matching in OSH communities was developed and evaluated. A sample project and user data from a collaborative online OSH development platform was enriched with skills and connected with a semantic network consisting of two ontologies. On one hand, the demonstrator enables finding users with particular capabilities to match certain project requirements. On the other hand, users of the development platform can be matched to projects based on their skill interests. A use case scenario was evaluated using the demonstrator. The results show that an integration of a semantic network with a collaborative OSH development platform is realisable and presents potentials for further utilization.

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Wire Electron Beam Additive Manufacturing von niedriglegierten Zinnbronzen – Erreichbare Bauteileigenschaften und Prozessmerkmale

2023-12-05 , Raute, Maximilian Julius , Seitz, Georg , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Die Additive Fertigung gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Verarbeitung von Kupferwerkstoffen im industriellen Umfeld. Hierbei wird verstärkt auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits aus der Schweißtechnik bekannt sind und sich zumeist durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich unter den drahtbasierten Verfahren der Directed-Energy-Deposition (DED) eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die Technologie Wire Electron Beam Additive Manufacturing (DED-EB) besondere Vorteile gegenüber anderen DED-Prozessen für die Anwendung an Kupfer. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel der Legierung CuSn1MnSi. Über mehrstufige Testschweißungen werden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. An verschiedenen additiv gefertigten Probekörpern werden anschließend Kennwerte für Aufbaurate, Härte, Mikrostruktur, Oberflächenqualität sowie mechanische Festigkeitswerte ermittelt. Es zeigt sich, dass das die durch DED-EB hergestellten Proben, trotz des groben Gefüges sowie der thermischen Belastung im Aufbauprozess, in ihren Eigenschaften gut mit den Spezifikationen des Ausgangsmaterials übereinstimmen.

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Laserstrahlauftragschweißen - Einfluss von Schutzgasgemischen auf die Bauteilqualität

2023-09 , Kampffmeyer, Dirk , Wolters, Michael , Raute, Julius , Müller, Vinzenz , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Im Additive Manufacturing Verfahren Directed Energy Deposition (DED) wird bei der Verarbeitung von Werkzeugstahl in der Regel reines Argon als Schutzgas verwendet. Dabei kann die Verwendung von speziellen Schutzgasgemischen, auch bei geringen Anteilen zugemischter Gase, durchaus die Bauteilqualität positiv beeinflussen. In Vorarbeiten der Messer SE & Co. KGaA zeigte ein gewisser Sauerstoffanteil im Schutzgas die Tendenz, den Flankenwinkel von Schweißspuren beim DED zu verbessern. In der vorliegenden Studie wurde daher detailliert untersucht in wie weit unterschiedliche Schutzgasgemische einen Einfluss auf die Qualität sowie die geometrischen Eigenschaften der additiv gefertigten Strukturen des Werkzeugstahls 1.2709 beim Laser-DED ausüben. Es erfolgten zunächst Testschweißungen in Form von Einzelspuren mit unterschiedlichen Gemischen aus dem Basisschutzgas Argon mit geringen Anteilen verschiedener Gase. Dabei wurde der Einfluss der Zusätze auf die Spurgeometrie und Aufbauqualität untersucht. Auf Basis dieser Vorversuche wurde eine Auswahl vielversprechender Gasgemische getroffen und Detailuntersuchungen in Form von Spuren, Flächen und Quadern unter Zugabe verschiedener Mengen an Zusätzen durchgeführt. Zur Bewertung des Einflusses der Schutzgasbeimengungen wurden der Flankenwinkel, die Porosität und das Gefüge der Proben anhand metallografischer Schliffe untersucht. Es zeigte sich, dass eine Zugabe von geringen Anteilen an Zusätzen zunächst zu einer Vergrößerung des Flankenwinkels im Vergleich zu reinem Argon führt. Mit steigendem Anteil der Gase nimmt dieser Winkel jedoch ab. So kann je nach Menge des zugesetzten Gases eine individuelle Benetzung des aufgetragenen Materials an der Oberfläche erreicht werden. Auch die Porosität ließ sich durch Schutzgasgemische beeinflussen und zeigt ein abweichendes Verhalten im Vergleich zu reinem Argon.

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Semi-automatic process control for efficient refurbishment of turbine blades

2023-06-16 , Uhlmann, Eckart , Polte, Julian , Mühlich, Christopher , Mönchinger, Stephan , Ebrahimi, Puya

The refurbishment of turbine blades requires the precise removal of damaged surface coatings. In manufacturing companies, this usually involves time-consuming activities such as detecting residual coatings and adapting process settings to varying turbine blade geometries. The use of automated systems therefore opens up opportunities to improve the efficiency of turbine blade refurbishment processes by replacing manual tasks. This paper presents an conceptual approach for a semi-automatic decoating process of turbine blades that integrates abrasive blasting technology into a closed loop process control system. The experimental setup consists of a robot for guiding the turbine blade in a blast machine and a nozzle system for local removal of residual coatings using abrasive material. Based on image processing the residual coatings of a turbine blade are labeled by a neural network and mapped to a 3D model of the turbine blade, which is used by a software control system to coordinate the decoating process. Using a prototype setup this paper investigates the applicability of the proposed approach and evaluates its feasibility.