Projekte des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

Aktuell werden an der TU Kaiserslautern folgende Projekte vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert:

Wissens- und Technologietransfer

Hydraulische Systeme haben in modernen Land- und Baumaschinen wegen ihrer hohen Leistungsdichte und Nutzungsvielfalt eine Schlüsselfunktion. Momentan werden vorwiegend Zentralhydrauliksysteme mit insbesondere bei Teillast geringem Wirkungsgrad eingesetzt. Elektrohydraulische Systeme erlauben einen lastabhängigen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad und eine Rückgewinnung von Energie beim Senken von Lasten, müssen vor einem breiten Einsatz jedoch noch weiter erforscht werden. Hier setzt das Vorhaben an. Die Ziele des Vorhabens liegen in der Konzeption, Modellierung, Simulation und Regelung neuartiger elektrohydraulischer Systeme sowie deren Evaluation in aktiven Fahrwerks- und Aufbausystemen für Land- und Baumaschinen. Die Ergebnisse des Vorhabens bilden eine wesentliche Grundlage für die Entwicklung zukünftiger elektrohydraulischer Systeme in Land- und Baumaschinen und sind daher für viele Unternehmen im durch die Nutzfahrzeugindustrie geprägten Rheinland-Pfalz von großem Interesse.

Die Bedeutung von Field Programmable Gate Arrays (FPGA) als Implementierungsplattform für dedizierte Hardwarelösungen hat in den letzten Jahren massiv zugenommen, dies gilt insbesondere für die mittelständische Industrie. Ebenso hat maschinelles Lernen (ML) bzw. neuronale Netze in den letzten Jahren enorm an Bedeutung zugenommen. In diesem Projekt sollen ML-Verfahren effizient auf FPGAs implementiert werden. Anwendungsgebiete sind insbesondere die Musterkennung und die Kanalcodierung. Das Vorhaben basiert auf zwei Innovationen. Zum einen die Verwendung von neuronalen Netzen bei der Kanaldecodierung in der drahtlosen Kommunikation, was ein völlig neuer Ansatz ist. Zum anderen der Einsatz innovativer Techniken insbesondere in Bezug auf Speicheroptimierungen. Mit diesem Projekt wird die Position von Creonic als führenden Anbieter im Bereich von IP Blöcken für die Kommunikation gestärkt sowie deren IP-Portfolio um ein weiteres Anwendungsgebiet erweitert.

Es soll ein autonomes System für Mobilbagger entwickelt werden, das verschiedene Arten von Gesteinsbrocken aufnehmen und in einer Brecheranlage ablegen kann. Hiermit soll beim Gesteinsabbau bereits in den ersten Prozessschritten die Sortierung der verschiedenen Materialien für die spätere Mischung ermöglicht werden. Dies ist mit Blick auf Effizienzsteigerung und Arbeitssicherheit besonders für die Zementherstellung von Interesse. Konkret soll in der Promotion ein geeignetes Verfahren für die Planung der Aufnahme der Gesteinsbrocken sowie das Ablegen in einer Brecheranlage mit automatischen Planungsverfahren entwickelt werden. Im Gegensatz zur Industrierobotik ist das Einsatzgebiet eines Greifarms bei Baggern sehr unstrukturiert. So müssen die Manipulationen individuell auf die Situation angepasst und in hohem Maße nachjustiert werden. Zum Lösen der Manipulationsaufgaben soll eine Toolbox aus Bewegungsprimitiven aufgebaut und angewendet werden, die adaptiv mit der Umwelt interagieren.

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Augmented Reality (AR) ist für die Industrie extrem relevant für Bereiche wie Entwicklung, Planung, Instandhaltung und Wartung. Die Anforderungen an industrielle AR-Systeme unterscheiden sich aber in vielerlei Hinsichten von denen an dem Massenmarkt vorhandenen. Insbesondere sollen sich industrielle AR-Systeme in die bereits existierende Infrastruktur (PLM, CAD, ...) und Prozesse integrieren und darauf aufbauen, sowie mit minimalem Erstellungs- und Konfigurationsaufwand nach festdefinierten Vorgaben einsetzbar sein. Darüber hinaus, sollen solche Systeme mit starken Änderungen der Umgebung zurecht zu kommen.
Die Ziele des Promotionsvorhabens sind  die Folgenden:

  • Erforschung von automatischen Initialisierungsverfahren anhand von CAD-Modellen von einzelnen oder mehreren Bauteilen
  • Erkennung von Montage/Demontage-Zustände
  • Präzises Objekt-Tracking in dynamischen Umgebungen
  • Prototypische Implementierung und Evaluierung

Bei Regalkonstruktionen werden zunehmend automatisierte Lager- und Logistiksysteme verwendet. Dabei werden zukünftig auch verstärkt Shuttle- und Bediensysteme eingesetzt werden, die die Regale im Betrieb zyklisch beanspruchen. Aus diesem Grund stellt sich die Entwicklung eines Nachweiskonzepts für die Materialermüdung von Regalen als Zukunftsaufgabe. Dabei sind die Besonderheiten der Regalkonstruktionen und -bauteile zu beachten. Dies sind neben der Ausführung von dünnwandigen, kaltprofilierten Bauteilen auch die spezifischen Verbindungselemente wie Hakenlaschen und Steckverbindungen. Unter Ermüdungsaspekten stellen auch die regelmäßigen Lochbilder der Bauelemente eine besondere Herausforderung dar.
Hier gilt es, ein praxistaugliches Verfahren zu entwickeln und zur Verfügung zu stellen. Mithilfe dieses Verfahrens soll es möglich werden, Regale und Regalsysteme in der Planungsphase bereits für die erforderliche Ermüdungssicherheit während ihrer Lebens- und Nutzungsdauer zu bemessen.

Die Nachfrage aus der Praxis, bezüglich erdbebentauglichen Befestigungsmitteln steigt in den letzten Jahren enorm an. Für die Herstellerfirmen von Befestigungsmitteln bedeutet dies, dass die Ihre Produkte für den Erdbebenfall qualifizieren müssen. Die Qualifikation erfolgt derzeit mit aufwendigen Versuchsreihen, die die Beanspruchung im Erdbebenfall simulieren soll. Bei Verbunddübeln, werden von allen Herstellerfirmen handelsübliche Gewindestangen mit einem Herstellerspezifischen Verbundmörtel in den Beton eingeklebt.
Ziel des Vorhabens ist es, offene Fragen bezüglich der Tragfähigkeit von Verbunddübeln im Erdbebenfall zu beantworten und die Zulassung und Bemessungen von entsprechenden Produkten auf eine fundierte wissenschaftliche Basis zu stellen.

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Neubauten werden in Deutschland zunehmend mit modernen digitalen Methoden geplant, im Bauprozess unterstützt und betrieben. BIM (Building Information Modeling) kommt hierbei eine herausragende Rolle zu, da alle relevanten Daten des Bauwerks am 3D-Modell abgelegt werden. Das virtuelle Abbild des realen Bauwerks ermöglicht eine vollständige Optimierung der Planung und des Baus vor der Realisierung sowie die kontinuierliche Aktualisierung während des gesamten Lebenszyklus des Bauwerks im Sinne des Betriebes.
Aufgrund der langen Lebensdauer von Bauwerken wird die Digitalisierung der gebauten Umwelt allerdings vergleichsweise langsam voranschreiten, sofern nur Neubauten mit digitalen Methoden umgesetzt werden. Der Digitalisierung von bestehenden Bauwerken kommt daher eine herausragende Stellung zu. Hierfür kann auf zahlreiche Grundlagentechnologien (z.B. 3D-Laserscan) zurückgegriffen werden, allerdings fehlt es noch an effizienten Methoden um die digitalen Daten in ein intelligentes BIM-Modell umzuwandeln.
Im Zuge des Forschungsvorhabens sollen auf Grundlage der vorhandenen Hard- und Softwarelösungen Methoden der einfachen Überführung vorhandener Bauwerke in ein BIM Modell entwickelt werden, um für baupraktische Anwendungen bei Bestandskonstruktionen zukünftig einfache digitale Unterstützung zu ermöglichen. Hierbei gilt es insbesondere, vereinfachte Planungs- und Nachweisverfahren zu implementieren, die beim Bauen im Bestand praxisgerecht die Planung und Berechnung von Ertüchtigungsmaßnahmen ermöglichen. Insbesondere KMUs würde dies erhebliche Effizienzvorteile bringen, denn solche Techniken werden aktuell überwiegend von großen Unternehmen im Rahmen eines „closed BIM“ mit individuellen firmeneigenen Inhalten („content“) genutzt, die für Dritte nicht verwendbar sind. Das Vorhaben soll damit die Position von deutschen und rheinland-pfälzischen Unternehmen im internationalen Umfeld in diesem wichtigen Anwendungsgebiet des Bauingenieurwesens stärken.

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Die Kanalcodierung sichert die zuverlässige Datenübertragung bei der drahtlosen Kommunikation, indem den eigentlich zu übertragenden Daten Redundanz hinzugefügt wird. Bei Übertragungsfehlern hilft die Struktur der redundanten Information dem Decoder entstandene Fehler zu erkennen und zu korrigieren. Die Maximum-Likelihood (ML) Decodierung ist ein optimales Decodierverfahren, welches jedoch zu den NP-schweren Problemen gehört. Dennoch bietet die ML Decodierung eine Reihe von Vorteilen, insbesondere für die Entwicklung neuer Codes und die Bewertung vorhandener Codes und heuristischer Decodieralgorithmen. Daher ist eine schnelle ML Decodierung von zentraler Bedeutung. Der Schwerpunkt dieser Promotion liegt deshalb auf der effizienten Implementierung von ML-basierten Decodieralgorithmen auf neuen, FPGA-basierten heterogenen Plattformen, welche exzellente Performanz bezüglich Geschwindigkeit, Flexibilität und Energieeffizienz versprechen.

In einem Geschäftsumfeld interagieren Unternehmen miteinander in den Beziehungen zwischen Kunden und Lieferanten. Die Interaktion erzeugt Dokumente, die Leistungen und Geldbeträge beschreiben, die den Besitzer wechselt. B4value.net, das in Kaiserslautern ansässig ist, stellt eine Plattform bereit, die Kunden und Partnern den sicheren elektronischen Versand von Transaktionsdokumenten erlaubt. Dabei werden alle branchenüblichen Formate und Kanäle unterstützt und beim Empfänger alle relevanten Metadaten in weiterführende Systeme übergeben.
Die Dissertation hat zum Ziel, alle Transaktionen im Netzwerk beteiligter Unternehmen zu verfolgen, relevante wirtschaftliche Daten zu analysieren, zu strukturieren, zu visualisieren und in Form von Mehrwertdiensten zur Verfügung zu stellen. Dabei stehen quantitative und qualitative Untersuchungen, räumliche und zeitliche Korrelationsanalysen, soziale Netzwerkanalysen sowie aggregierte Metadatenanalysen im Fokus der Forschung.

Zur Nutzung von Erneuerbaren Energien müssen diese gespeichert werden. Soll der Anteil der Erneuerbaren Energien an der Wärmeversorgung von Gebäuden deutlich über 50% gesteigert werden, steigt die Größe von wassergefüllten Speichern überproportional von rd. 0,5m³ auf rd. 10m³ an. Um solche großen Speicher und deren Limitationen zu vermeiden können Phasenwechselmaterialien und aktivierte Bauteile zur Wärmespeicherung eingesetzt werden. Beide Speichertechnologien können Wärme platzsparender als wassergefüllte Speicher speichern. Aktuell fehlen für diese allgemeingültige Empfehlungen zur Dimensionierung, sowie Regelung & Steuerung (R&S), als Teil des Heizsystems. Ziel des Vorhabens ist es daher an Hand von zu entwickelnden Kennwerten allgemeingültige Empfehlungen zur Dimensionierung, sowie R&S von Heizsystemen mit PCM und aktivierten Bauteilen abzuleiten.

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Die Reduktion des Energiebedarfs und der CO2-Emissionen ist ein zentrales Ziel. Ab dem Jahr 2021 müssen daher alle neuen Gebäude in Deutschland als „Niedrigstenergiegebäude“ ausgeführt werden. Dies erfordert eine neue Konzeption zum Heizen und Kühlen der Gebäude und eröffnet gleichzeitig die Möglichkeiten für neuartige Systeme zur thermischen Energie-versorgung von Gebäuden. Ein zukunftsweisender Ansatz besteht in der Verwendung von Peltier-Elementen. Peltier-Elemente sind elektrothermische Wärmepumpen und ermöglichen somit eine Nutzung von Umweltwärme zur ressourcenschonenden Energieversorgung von Gebäuden. Im Rahmen des Projektes werden Verfahren entwickelt und untersucht, die das Beheizen und Kühlen von Gebäude unter Verwendung von Peltier-Elementen ermöglichen. Hierbei werden sowohl Simulationsrechnungen als auch Laboruntersuchungen durchgeführt.


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Technologieorientierte Kompetenzfelder

Das in Kooperation mit dem CVC beantragte Leitprojekt beschäftigt sich mit der Erforschung der unterschiedlichen Verfahren des Additive Manufacturing (AM) in Entwicklungs- und Produktionsnetzwerken der Nutzfahrzeugproduktion, mit dem Ziel Handlungsempfehlungen für die Anwendung herauszugeben. Der Fokus liegt dabei auf AM-Verfahren für die Fertigung von Metallkomponenten in der Serienproduktion. Darüber hinaus wird die Herstellung von Ersatzteilen und Prototypen betrachtet sowie die Wirtschaftlichkeit der additiven Fertigung von Werkzeugen geprüft. Basierend auf konkreten Nutzfahrzeugbauteilen und Werkzeugen, die im Rahmen dieses CVC-Leitprojektes als Demonstratoren für AM-Anwendungen dienen, werden die Demonstratoren additiv gefertigt und mit konventionell hergestellten Bauteilen verglichen. Parallel dazu erfolgt die Entwicklung von Werkzeugen und Konzepten zur Identifikation, Bewertung und Integration additiver Fertigungsverfahren in bestehende Produktionsnetzwerke.

Thema des Projekts ist die Erforschung der Nutzbarmachung von Verfahren des überwachten maschinellen Lernens (ML), einem Teilgebiet der Künstlichen Intelligenz (KI), für die Nutzfahrzeugproduktion. Hierzu wird die Nutzbarkeit kleiner, für die Nutzfahrzeugproduktion typischer Datensätze im Hinblick auf eine Verarbeitung mit ML zur Ableitung von Verbesserungen erforscht. Weiterhin werden geeignete ML-Modelle aus dem Feld des überwachten Lernens für die Nutzung in der Nutzfahrzeugproduktion anhand konkreter pilothafter und repräsentativer Anwendungsszenarien ausgewählt und implementiert. Im Zuge dessen erfolgt eine methodisch unterstützte Implementierung von Best-Practice-Beispielen in der Nutzfahrzeugproduktion zur Demonstration der breiten Anwendbarkeit der ausgewählten Ansätze. Auf dieser Basis wird ein Vorgehensmodell entwickelt, welches Nutzfahrzeugproduzenten zur zielgerichteten Anwendung von ML in der Produktion befähigt.

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Das in Kooperation mit dem CVC und weiteren Industriepartnern beantragte Leitprojekt beschäftigt sich mit der Erforschung der Perzeption und Navigation eines autonomen Nutzfahrzeugs in rauem Gelände am Beispiel des Unimogs. Die untersuchten und entwickelten Ansätze sollen im Rahmen einer autonomen Geländefahrt validiert werden, die als Basis für unterschiedliche Nutzfahrzeuganwendungen dient. Besonders soll das Perzeptionssystem erforscht werden, welches die notwendigen Daten für darauf aufsetzende Assistenzsysteme sowie autonome Steuerungen liefert. Dies schließt unter anderem die Erkennung und Bewertung von Wegen sowie die Detektion von statischen und dynamischen Hindernissen ein. Für die Lokalisation sollen probabilistische Verfahren zur Fusion von GPS und hochgenauen Koppelnavigationsverfahren analysiert werden. Um vor allem die verrauschten und fehlerbehafteten Sensormessungen berücksichtigen zu können, soll ein neues biologisch motiviertes Perzeptionskonzept erstellt werden, welche die Berücksichtigung der sich dynamisch ändernden Sensordatenqualität in der Navigation erlaubt und somit eine Plausibilitätseinschätzung der berechneten Inferenzen ermöglicht. Für die Navigation sollen Konzepte für die Wegplanung und für die Adaption der Trajektorien an Gefahrenquellen wie Löcher, Hindernisse, Wegrutschen, Kippen untersucht werden.

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In dem zweijährigen Forschungsprojekt soll ein „Dual-Fuel“ Brennverfahren unter Verwendung von Methan/CNG (compressed natural gas, verdichtetes Erdgas) und Oxymethylenether (OME) entwickelt und erforscht werden. Hierbei dient Methan/CNG als Hauptkraftstoff und OME als Zündkraftstoff. Da die beiden verwendeten Kraftstoffe synthetisch herstellbar sind, hat die betrachtete Anwendung das Potenzial eines CO2-neutralen Betriebs von Landwirtschafts- und Nutzfahrzeugmaschinen bei gleichzeitiger Beibehaltung der vorhandenen Tankstelleninfrastruktur.
Weiterhin ergeben sich aus den Eigenschaften der Kraftstoffe Vorteile bei den Schadstoffemissionen des Dieselmotors welche aufgezeigt und quantifiziert werden sollen.

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Die Trinkwasserversorgung gehört mit zu den größten Energieverbrauchern der Kommunen in Deutschland. Ein Großteil dieser Energie wird für den Betrieb von Pumpen benötigt. Studien der TU Kaiserslautern und von Pumpenherstellern zeigen, dass die Pumpen jedoch oft nicht effizient betrieben werden. Im Forschungsvorhaben COpt2 sollen vom Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen der TU Kaiserslautern geeignete Monitoringsysteme und Simulationsmodelle für Pumpen in Trinkwasseranlagen entwickelt werden. Diese virtuellen Modelle werden zur Optimierung des Betriebs der Trinkwasseranlagen verwendet. Das Forschungsvorhaben wird gemeinsam mit den Projektpartnern Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik, Zweckverband für Wasserversorgung Germersheimer Südgruppe und EnergieSüdwest Netz GmbH bearbeitet. Mit den erstellten Modellen erhalten die beteiligten Wasserversorger eine Software mit der der tägliche Betrieb ihrer Anlagen optimal gestaltet werden kann. Weiterhin sollen ineffiziente Pumpen identifiziert und basierend auf den durchgeführten Simulationen durch effizientere Pupen ersetzt werden.

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