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Der vorliegende Abschlussbericht entstand im Rahmen von zwei halben Forschungssemestern (WS 23/24 & SS24). Zunächst wird die Definitionshistorie des Begriffs „Nachhaltigkeit“ vorgestellt. Einen zentralen rechtlichen Rahmen bildet der „European Green Deal“. Dieser beinhaltet eine Vielzahl von Einzelmaßnahmen, welche den Übergang zu einer klimaneutralen Wirtschaft regulatorisch begleiten sollen (z.B. Ecodesign for sustainable products regulation, ESPR). In Deutschland wurde die Nationale Kreislaufwirtschaftsstrategie (NKWS) verabschiedet, die u.a. die Produktgestaltung für Zirkularität und Langlebigkeit beinhaltet. Unter Berücksichtigung der Kreislaufwirtschaft werden recyclinggerechte Gestaltungsrichtlinien vorgestellt, wobei die Modulbauweise und die Werkstoffwahl zwei wesentliche Beeinflussungsaspekte darstellen. Am Beispiel von Fahrrädern werden exemplarisch die Werkstoffe des Rahmens und der Reifen analysiert. Die bei der Produktgestaltung entstehenden Daten müssen zentral verwaltet werden. Hierfür bieten sich Produkt Daten Management (PDM)-Systeme an, bei denen der Anwendungsbereich auf der Organisation, Zentralisierung, Synchronisierung und Verwaltung von Produktdaten, insbesondere in der Konstruktions- und Entwicklungsphase liegt. Auch hier werden am Beispiel von Fahrrädern Unterstützungsmöglichkeiten für eine nachhaltigkeitsorientierte Gestaltung durchleuchtet und anschließend in Teilbereichen umgesetzt. Es wurde mit dem System Teamcenter von Siemens gearbeitet. Die genutzte digitale Repräsentanz des Fahrrads besteht aus Standard-Modulen, varianten und optionalen Modulen, in Form einer 150%-Stückliste. Es hat sich gezeigt, dass PDM-Systeme (innerhalb einer PLM-Strategie) die nachhaltigkeitsorientierte Produktgestaltung unterstützen können. Das zentrale Datenmanagement kann mit nachhaltigkeitsrelevanten Anwendungen wie der Stücklistenverwaltung und dem Materialmanagement verknüpft werden. Darüber hinaus existieren „Sustainable Costing“-Lösungen, die es ermöglichen, Informationen aus Lieferantennetzwerken sowie Umweltdatenbanken zu nutzen. Sowohl in der europäischen Ökodesign-Verordnung als auch in der NKWS wird der digitale Produktpass (DPP) als zentrales Element der Zukunft aufgeführt. Hierbei handelt es sich um einen Datensatz, der die Komponenten, Materialien und chemische Substanzen oder auch Informationen zu Reparierbarkeit, Ersatzteilen oder fachgerechter Entsorgung für ein Produkt zusammenfasst. Durch den DPP gewinnen PDM-Systeme weiter an Bedeutung, da die Stücklistenverwaltung als Träger aller relevanten Komponenteninformationen zusammen mit dem Materialdatenmanagement ein wesentlicher Baustein für den DPP ist. Im Ausblick wird u.a. ein unternehmensübergreifender Technologie-Demonstrator von Siemens mit Partnern vorgestellt.

Bürstenlose Generatorsysteme mit doppelt gespeisten Kaskadenmaschinen werden zurzeit für die regenerative Energieerzeugung z. B. mit Windkraftanlagen untersucht. Sie sind eine Alternative zu Generatorsystemen mit doppelt gespeisten Induktionsmaschinen. Kaskadenmaschinen arbeiten mit zwei Drehfeldern verschiedener Polpaarzahlen. Im Stator befinden sich zwei Wicklungen für die beiden Polpaarzahlen oder eine Wicklung zur gleichzeitigen Erzeugung der beiden Drehfelder über jeweils getrennte Anschlüsse. Der Rotor trägt eine in sich kurzgeschlossene Wicklung, die gleichzeitig mit beiden Drehfeldern verkettet ist und deren Strom beide Drehfelder gleichzeitig erzeugt. Der vorliegende Beitrag beschreibt wie die elektromagnetische Wirkung unsymmetrischer Rotorwicklungen für Kaskadenmaschinen mit der Drehfeldanalyse behandelt werden kann. Dieser Beitrag ist eine Erweiterung des früheren Beitrags Kaskadenmaschine ... Analyse der Rotorwicklung (https://doi.org/10.25968/opus-3071) um die Kenngrößen der Rotorwicklung. Die Rotorwicklungen erzeugen gleichzeitigen beide Grundfelder der Kaskadenmaschine. Sie sind z. T. mit Wicklungszweigen aufgebaut, die in verschiedenen Knoten zusammen geschaltet sind. Mit dem hier dargestellten Rechenverfahren wird die elektromagnetische Kopplung zwischen den Wicklungszweigen und zur Statorwicklung erfasst. Für das Verhalten der Wicklung werden Kenngrößen angegeben.

Tensegrity structures are structures in which elements stabilize each other by bearing compressive or tensile loads. They have a high potential for lightweight design. As structures with tensile loads, wires can be used that are connected to other structures using a laser bonding process. Investigations of bonding a mild steel wire with a diameter of 1 mm onto a flat substrate have been conducted using a coaxial deposition welding head. The influence of the parameters focus position, laser power, wire feed rate and bonding processing time has been investigated regarding the bonding quality. A process window for a stable process and a sufficient bond of wire and substrate was determined. The laser intensity and stickout length have a significant influence on the bonding. High intensities and stickout lengths lead to wire burn back and no bond with the substrate while wire backup occurred at low intensities and stickout lengths.

Continuous fiber-reinforced material extrusion is an emerging additive manufacturing process that builds components layer by layer by extruding a continuous fiber-reinforced thermoplastic strand. This novel manufacturing process combines the benefits of additive manufacturing with the mechanical properties and lightweight potential of composite materials, making it a promising approach for creating high-strength end products. The field of design for additive manufacturing has developed to provide suitable methods and tools for such emerging processes. However, continuous fiber-reinforced material extrusion, as a relatively new technology, has not been extensively explored in this context. Designing components for this process requires considering both restrictive and opportunistic aspects, such as extreme anisotropy and opportunities for functional integration. Existing process models and methods do not adequately address these specific needs. To bridge this gap, a tailored methodology for designing continuous fiber-reinforced material extrusion is proposed, building on established process models. This includes developing process-specific methods and integrating them into the process model, such as a process selection analysis to assess the suitability of the method and a decision model for selecting the process for highly stressed components. Additionally, a detailed design process tailored to continuous fiber-reinforced material extrusion is presented. The application of the developed process model is demonstrated through a case study.

Development of a Laser Double-wire Directed Energy Deposition process (LD-DED). Utilizing high material efficiency of the laser wire process for multi-material additive manufacturing. Enabling omnidirectional wire based build up of in-situ fabricated alloys and Functionally Graded Materials