Benchmark Structures and Binding Energies of Small Water Clusters with Anharmonicity Corrections

For (H2O)n where n = 1–10, we used a scheme combining molecular dynamics sampling with high level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster. For each isomer, we extrapolated the RI-MP2 energies to their complete basis set limit, included a CCSD(T) correction using a smaller basis set and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled and unscaled harmonic vibrational frequencies. The vibrational scaling factors were determined specifically for water clusters by comparing harmonic frequencies with VPT2 fundamental frequencies. We find the CCSD(T) correction to the RI-MP2 binding energy to be small (

Quantum Mechanical Study of Sulfuric Acid Hydration: Atmospheric Implications

The role of the binary nucleation of sulfuric acid in aerosol formation and its implications for global warming is one of the fundamental unsettled questions in atmospheric chemistry. We have investigated the thermodynamics of sulfuric acid hydration using ab initio quantum mechanical methods. For H2SO4(H2O)n where n = 1–6, we used a scheme combining molecular dynamics configurational sampling with high-level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster size. For each isomer, we extrapolated the Møller–Plesset perturbation theory (MP2) energies to their complete basis set (CBS) limit and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled harmonic vibrational frequencies. We found that ionic pair (HSO4–·H3O+)(H2O)n−1clusters are competitive with the neutral (H2SO4)(H2O)n clusters for n ≥ 3 and are more stable than neutral clusters for n ≥ 4 depending on the temperature. The Boltzmann averaged Gibbs free energies for the formation of H2SO4(H2O)n clusters are favorable in colder regions of the troposphere (T = 216.65–273.15 K) for n = 1–6, but the formation of clusters with n ≥ 5 is not favorable at higher (T > 273.15 K) temperatures. Our results suggest the critical cluster of a binary H2SO4–H2O system must contain more than one H2SO4 and are in concert with recent findings(1) that the role of binary nucleation is small at ambient conditions, but significant at colder regions of the troposphere. Overall, the results support the idea that binary nucleation of sulfuric acid and water cannot account for nucleation of sulfuric acid in the lower troposphere.

S-0 and S-1 State Structure, Methyl Torsional Barrier Heights, and Fast Intersystem Crossing Dynamics of 5-Methyl-2-hydroxypyrimidine

We report the analysis of the SI So rotational band contours of jet-cooled 5-methyl-2-hydroxypyrimidine (5M2HP), the enol form of deoxythymine. Unlike thymine, which exhibits a structureless spectrum, the vibronic spectrum of 5M2HP is well structured, allowing us to determine the rotational constants and the methyl group torsional barriers in the S-0 and S-1 states. The 0(0)(0), 6a(0)(1), 6b(0)(1), and 14(0)(1) band contours were measured at 900 MHz (0.03 cm(-1)) resolution using mass-specific two-color resonant two-photon ionization (2C-R2PI) spectroscopy. All four bands are polarized perpendicular to the pyrimidine plane (>90% c type), identifying the S-1 <- S-0 excitation of 5M2HP as a 1n pi* transition. All contours exhibit two methyl rotor subbands that arise from the lowest 5-methyl torsional states 0A '' and 1E ''. The S-0 and S-1 state torsional barriers were extracted from fits to the torsional subbands. The 3-fold barriers are V-3 '' = 13 cm(-1) and V3' = SI cm(-1); the 6-fold barrier contributions V-6 '' and V-6' are in the range of 2-3 cm(-1) and are positive in both states. The changes of A, B, and C rotational constants upon S-1 <- S-0 excitation were extracted from the contours and reflect an "anti-quinoidal" distortion. The 0(0)(0) contour can only be simulated if a 3 GHz Lorentzian line shape is included, which implies that the S-1(1n pi*) lifetime is similar to 55 ps. For the 6a(0)(1) and 6b(0)(1) bands, the Lorentzian component increases to 5.5 GHz, reflecting a lifetime decrease to similar to 30 ps. The short lifetimes are consistent with the absence of fluorescence from the 1n pi* state. Combining these measurements with the previous observation of efficient intersystem crossing (ISC) from the Si state to a long-lived T-1((3)n pi*) state that lies similar to 2200 cm(-1) below [S. Lobsiger, S. et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 5032] implies that the broadening arises from fast intersystem crossing with k(ISC) approximate to 2 x 10(10) s(-1). In comparison to 5-methylpyrimidine, the ISC rate is enhanced by at least 10 000 by the additional hydroxy group in position 2.

Energy harvesting from body motion using rotational micro-generation

Autonomous system applications are typically limited by the power supply operational lifetime when battery replacement is difficult or costly. A trade-off between battery size and battery life is usually calculated to determine the device capability and lifespan. As a result, energy harvesting research has gained importance as society searches for alternative energy sources for power generation. For instance, energy harvesting has been a proven alternative for powering solar-based calculators and self-winding wristwatches. Thus, the use of energy harvesting technology can make it possible to assist or replace batteries for portable, wearable, or surgically-implantable autonomous systems. Applications such as cardiac pacemakers or electrical stimulation applications can benefit from this approach since the number of surgeries for battery replacement can be reduced or eliminated. Research on energy scavenging from body motion has been investigated to evaluate the feasibility of powering wearable or implantable systems. Energy from walking has been previously extracted using generators placed on shoes, backpacks, and knee braces while producing power levels ranging from milliwatts to watts. The research presented in this paper examines the available power from walking and running at several body locations. The ankle, knee, hip, chest, wrist, elbow, upper arm, side of the head, and back of the head were the chosen target localizations. Joints were preferred since they experience the most drastic acceleration changes. For this, a motor-driven treadmill test was performed on 11 healthy individuals at several walking (1-4 mph) and running (2-5 mph) speeds. The treadmill test provided the acceleration magnitudes from the listed body locations. Power can be estimated from the treadmill evaluation since it is proportional to the acceleration and frequency of occurrence. Available power output from walking was determined to be greater than 1mW/cm³ for most body locations while being over 10mW/cm³ at the foot and ankle locations. Available power from running was found to be almost 10 times higher than that from walking. Most energy harvester topologies use linear generator approaches that are well suited to fixed-frequency vibrations with sub-millimeter amplitude oscillations. In contrast, body motion is characterized with a wide frequency spectrum and larger amplitudes. A generator prototype based on self-winding wristwatches is deemed to be appropriate for harvesting body motion since it is not limited to operate at fixed-frequencies or restricted displacements. Electromagnetic generation is typically favored because of its slightly higher power output per unit volume. Then, a nonharmonic oscillating rotational energy scavenger prototype is proposed to harness body motion. The electromagnetic generator follows the approach from small wind turbine designs that overcome the lack of a gearbox by using a larger number of coil and magnets arrangements. The device presented here is composed of a rotor with multiple-pole permanent magnets having an eccentric weight and a stator composed of stacked planar coils. The rotor oscillations induce a voltage on the planar coil due to the eccentric mass unbalance produced by body motion. A meso-scale prototype device was then built and evaluated for energy generation. The meso-scale casing and rotor were constructed on PMMA with the help of a CNC mill machine. Commercially available discrete magnets were encased in a 25mm rotor. Commercial copper-coated polyimide film was employed to manufacture the planar coils using MEMS fabrication processes. Jewel bearings were used to finalize the arrangement. The prototypes were also tested at the listed body locations. A meso-scale generator with a 2-layer coil was capable to extract up to 234 µW of power at the ankle while walking at 3mph with a 2cm³ prototype for a power density of 117 µW/cm³. This dissertation presents the analysis of available power from walking and running at different speeds and the development of an unobtrusive miniature energy harvesting generator for body motion. Power generation indicates the possibility of powering devices by extracting energy from body motion.

Adaptive control of sinusoidal brushless DC motor actuators

Electrical Power Assisted Steering system (EPAS) will likely be used on future automotive power steering systems. The sinusoidal brushless DC (BLDC) motor has been identified as one of the most suitable actuators for the EPAS application. Motor characteristic variations, which can be indicated by variations of the motor parameters such as the coil resistance and the torque constant, directly impart inaccuracies in the control scheme based on the nominal values of parameters and thus the whole system performance suffers. The motor controller must address the time-varying motor characteristics problem and maintain the performance in its long service life. In this dissertation, four adaptive control algorithms for brushless DC (BLDC) motors are explored. The first algorithm engages a simplified inverse dq-coordinate dynamics controller and solves for the parameter errors with the q-axis current (iq) feedback from several past sampling steps. The controller parameter values are updated by slow integration of the parameter errors. Improvement such as dynamic approximation, speed approximation and Gram-Schmidt orthonormalization are discussed for better estimation performance. The second algorithm is proposed to use both the d-axis current (id) and the q-axis current (iq) feedback for parameter estimation since id always accompanies iq. Stochastic conditions for unbiased estimation are shown through Monte Carlo simulations. Study of the first two adaptive algorithms indicates that the parameter estimation performance can be achieved by using more history data. The Extended Kalman Filter (EKF), a representative recursive estimation algorithm, is then investigated for the BLDC motor application. Simulation results validated the superior estimation performance with the EKF. However, the computation complexity and stability may be barriers for practical implementation of the EKF. The fourth algorithm is a model reference adaptive control (MRAC) that utilizes the desired motor characteristics as a reference model. Its stability is guaranteed by Lyapunov’s direct method. Simulation shows superior performance in terms of the convergence speed and current tracking. These algorithms are compared in closed loop simulation with an EPAS model and a motor speed control application. The MRAC is identified as the most promising candidate controller because of its combination of superior performance and low computational complexity. A BLDC motor controller developed with the dq-coordinate model cannot be implemented without several supplemental functions such as the coordinate transformation and a DC-to-AC current encoding scheme. A quasi-physical BLDC motor model is developed to study the practical implementation issues of the dq-coordinate control strategy, such as the initialization and rotor angle transducer resolution. This model can also be beneficial during first stage development in automotive BLDC motor applications.

Wind plant interaction with series-compensated power systems

Wind power based generation has been rapidly growing world-wide during the recent past. In order to transmit large amounts of wind power over long distances, system planners may often add series compensation to existing transmission lines owing to several benefits such as improved steady-state power transfer limit, improved transient stability, and efficient utilization of transmission infrastructure. Application of series capacitors has posed resonant interaction concerns such as through subsynchronous resonance (SSR) with conventional turbine-generators. Wind turbine-generators may also be susceptible to such resonant interactions. However, not much information is available in literature and even engineering standards are yet to address these issues. The motivation problem for this research is based on an actual system switching event that resulted in undamped oscillations in a 345-kV series-compensated, typical ring-bus power system configuration. Based on time-domain ATP (Alternative Transients Program) modeling, simulations and analysis of system event records, the occurrence of subsynchronous interactions within the existing 345-kV series-compensated power system has been investigated. Effects of various small-signal and large-signal power system disturbances with both identical and non-identical wind turbine parameters (such as with a statistical-spread) has been evaluated. Effect of parameter variations on subsynchronous oscillations has been quantified using 3D-DFT plots and the oscillations have been identified as due to electrical self-excitation effects, rather than torsional interaction. Further, the generator no-load reactance and the rotor-side converter inner-loop controller gains have been identified as bearing maximum sensitivity to either damping or exacerbating the self-excited oscillations. A higher-order spectral analysis method based on modified Prony estimation has been successfully applied to the field records identifying dominant 9.79 Hz subsynchronous oscillations. Recommendations have been made for exploring countermeasures.

Technologieintegration zur Herstellung von Serienwerkzeugen mittels Metallfolien- LOM

Das Metallfolien-LOM ist eines der wenigen RP- Verfahren zur schichtweisen Herstellungen von Metallbauteilen, welches nicht Pulver als Ausgangsmaterial benutzt. Vielmehr werden dünne Metallfolien gestapelt, mit einem Laserstrahl fixiert und anschließend ebenfalls in einem vollautomatisierten Prozess beschnitten. Da bei dem Punktuellen Verschweissen nur eine provisorische Fixierung erfolgt, werden die Schichten anschließend in einem Folgeprozess mittels Diffusionsschweissen stoffschlüssig verbunden. Es resultieren daraus Bauteile mit hoher mechanischer und auch thermischer Stabilität, die weder Poren noch Einschlüsse im Inneren aufweisen. Die Technologie vereint die Vorteile der Blechplatinen-LOM-Technologie, wie z.B. die hohe Festigkeit, mit den Vorteilen des vollautomatisierten Papier- LOM- Verfahrens, wie der hohen Detailtreue. Aufgrund der Verwendung eines Halbzeugs, der Metallfolie, ist der Bauprozess deutlich schneller im Vergleich zu den Verfahren, die einen Pulverwerkstoff als Ausgangsmaterial verwenden. Durch das additive Bauprinzips lassen sich auch Hohlräume, wie z.B. Kühlkanalstrukturen im Bauteil realisieren. Damit weist diese Technologie ein hohes Innovationspotential, vor allem für den Kunststoffspritzguss, auf. Hier kann mit werkzeuginternen Kühlstrukturen gezielt die Prozessführung beim erstarren der Schmelze verbessert werden.

Vom Metallpulver zum Gesenk Bauteil

Zur schnellen Herstellung von Metallteilen eignen sich die schichtweise Rapid Prototyping Verfahren. Zum einen ist die direkte Herstellung aus Zweikomponenten-Metallpulver möglich, zum anderen lassen sich aus Kunststoffüberzogenen Metallpulvern durch Infiltration komplexe Metallteile fertigen. Der Vortrag beschreibt die Prozessketten der beiden Verfahren und stellt ihre besonderen Eigenschaften gegenüber. Anhand von Praxisbeispielen wird die tatsächliche Leistungsfähigkeit beider Verfahren aufgeführt. Es werden die beiden Verfahren “Direct Metal Laser Sintering“ (DMLS) und “Indirect Metal Laser Sintering“ (IMLS) zur Herstellung von Gesenken und Bauteilen vorgestellt. Das “Direct Metal Laser Sintering“ wird in Zusammenarbeit mit der Fa. Daimler-Chrysler vorgestellt, die mit ihrer EOS Sinteranlage ein Benchmarkwerkzeug mit konturnaher Kühlung gefertigt haben. Das “Indirect Metal Laser Sintering“ wird an der Universität Duisburg-Essen angewandt. Hier wurden diverse Bauteile bzw. Gesenke in Zusammenarbeit mit der Fa. Powercut oder dem ZBT hergestellt.

Das Foam Reaction Prototyping (FRP)

Das FRP-Verfahren ist eine neuentwickelte Technologie, die andere Verfahren des Prototypenbaus bzw. der Prototypenerzeugung an Präzision, Schnelligkeit und Rentabilität um ein Vielfaches übertrifft. Generell verringert sich damit der Zeitrahmen von der Idee bis zum fertigen Modell (time-to-market) dramatisch.

Rapid Tooling fuer den Spritzguss- und Al-Druckgusswerkzeugbau

Bedingt durch die geringen Aufbauraten blieb die Anwendung des direkten Lasersinterverfahrens (DMLS) bislang auf die Herstellung kleinerer Formeinsätze für den Spritzguss- bzw. Al-Druckgusswerkzeugbau beschränkt. Um die Technologie des Rapid Tooling auf das Anwendungsfeld für größere Werkzeugeinsätze zu erweitern, ist vom IFAM zusammen mit weiteren europäischen Projektpartnern im Rahmen des Projekts ecoMold der sog. modulare Werkzeugbaukasten entwickelt worden. Das Konzept beruht darauf, dass ein Werkzeugeinsatz in Module zerteilt wird, die separat gefertigt werden. Jedes Modul setzt sich aus einer Grundgeometrie und einer Formgeometrie zusammen. Die Grundgeometrie stellt Volumenbereiche des Werkzeugeinsatzes dar, die keine formbestimmenden Geometrien beinhalten. Die Grundgeometrien werden als standardisierte Grundmodule durch Fräsen kostengünstig hergestellt. Die formbestimmenden Geometrien des Einsatzes werden durch das Lasersinterverfahren auf die Grundmodule aufgesintert. Die verschiedenen Module werden dann zum fertigen Werkzeugeinsatz montiert. Grundlage ist der vollständige STL-Datensatz der beiden Werkzeughälften. Auf der Basis einer Datenbank, die alle zur Verfügung stehenden Grundmodule in verschiedenen Abmessungsabstufungen enthält, wird die Anzahl, die Größe und die Lage der Module automatisiert von der am IFAM entwickelten Software bestimmt. Dabei wird versucht, den ursprünglichen STL-Datensatz des Werkzeugeinsatzes derart in einzelne Module zu zerlegen, dass die aufzusinternden Bereiche minimiert werden und möglichst viele Volumenbereiche des Einsatzes durch die in der Datenbank hinterlegten Grundmodule gefüllt werden. Mit dem vorgestellten System steht ein neues Fertigungskonzept zur Verfügung, das durch eine Kombination aus Lasersinter- und Fräsverfahren gestattet, das Lasersinterverfahren auch für Rapid-Tooling-Anwendungen für größere Bauteile anzuwenden. Erste Erfahrungen und Kalkulationen haben ergeben, dass im Vergleich zu konventionell hergestellten Werkzeugeinsätzen die Kosten um ca. 35% und die benötigten Bauzeiten um ca. 30% reduziert werden können.

Rapid Manufacturing - eine interdisziplinäre Strategie

Als um 1987 ein Verfahren namens Stereolithographie und ein Stereolithography Apparatus (SLA) vorgestellt wurden, war der Traum von der Herstellung beliebiger dreidimensionaler Bauteile direkt aus Computerdaten und ohne bauteilspezifische Werkzeuge Realität geworden.

Kunststoffgleitpaarungen in der Fördertechnik – Methoden zur Messung von Reibungswerten

Stückgutförderer mit umlaufenden Zugmitteln lassen sich auf ein einheitliches Modell reduzieren. In den aus diesem Einheitsmodell abgeleiteten Kontaktpaarungen treten zwischen den einzelnen Elementen des Fördersystems Reibung und somit Reibungskräfte auf. Für die Konstruktion und den wirtschaftlichen Betrieb der Fördersysteme ist die Höhe der Reibungswerte entscheidend. Diese sind keine Materialkennwerte, sie können nur experimentell bestimmt werden. Die existierenden Messeinrichtungen sind dafür jedoch ungeeignet. Aus diesem Grunde wurde ein neuer Versuchsstand entwickelt, auf dem Probekörper und Bauteile mit variablen Formen und Abmessungen getestet werden können. Erste Messungen mit dem neuen Versuchsstand haben neben den Abhängigkeiten des Reibungswertes von der Geschwindigkeit und der Normalkraft auch aufgezeigt, dass praxisrelevante Reibungswertmessungen als Dauerversuche durchgeführt werden müssen.

Optimierung der Eigenschaften von thermoplastischen Lasersinter-Bauteilen

Das Lasersintern (LS) hat sich als generatives Verfahren zur schichtweisen Fertigung von Modellen und Prototypen aus CAD-Daten etabliert. Die Möglichkeit werkzeuglos beliebig komplexe Bauteile zu erstellen birgt großes Potential für die zukünftige Fertigung von Einzelstücken und Kleinserien. Da die verfügbare Technologie starke Schwankung der Qualität mit sich bringt, stellt sich jedoch die Frage nach der prinzipiellen Leistungsfähigkeit des Verfahrens. Die Professur Fertigungstechnik an der Universität Duisburg-Essen verfügt über eine Sinterstation 2000 und hat sich näher mit dieser Problematik befasst um zu untersuchen, welche Qualität bei gegebener Anlagentechnik unter Verwendung eines gängigen Lasersinter-Werkstoffes erreichbar ist.

Hochbelastbare Lasersinterteile mit homogenen Materialeigenschaften

Mit der Zielstellung, das Lasersinterverfahren unabhängig von Ort und Zeit als ein relativ wirtschaftliches Verfahren zur Generierung von Kunststoffbauteilen für Kleinserien zu etablieren, wurde eine neue Technologie in der V.G. Kunststofftechnik GmbH für die Sinteranlagen Sinterstation PRO und Vanguard, beide von 3D Systems, entwickelt. Durch eine neue Temperaturführung im Baufeld, einen verbesserten Energieeintrag und veränderter Prozessführungssoftware können sehr dichte Bauteile hergestellt werden, die in den Grundeigenschaften nahezu denen, die mittels Spritzguss hergestellt wurden, entsprechen.

Rapid Manufacturing - auch mit SLM

Rapid Manufacturing (RM) wurde als Schlagwort in der letzten Zeit insbesondere aus dem Bereich des Selective Laser Sintering (SLS) bekannt. In dieser inzwischen über 15-jährigen Technologieentwicklung wurden in den vergangenen Jahren bedeutende Fortschritte erzielt, die die Bauteileigenschaften nahe an die Anforderungen für End-Teile heran brachten. So ist das RM denn auch weniger aus der Sicht grösserer Losgrösse zu verstehen. Viel mehr bedeutet Rapid Manufacturing, dass die Bauteile nach einer generativen Fertigung direkt im Endprodukt resp. der Endanwendung zum Einsatz kommt. Das Selective Laser Melting, mit welchem aus metallischen Pulvermaterialien direkt Metallteile in Standardmaterialien hergestellt werden können, ist aufgrund der guten Materialeigenschaften für RM prädestiniert. In den ersten Anwendungsfeldern des SLM–Verfahrens standen die Herstellung von Werkzeugeinsätzen mit konturnaher Kühlung (Conformal Cooling) im Vordergrund, wobei diese Werkzeuge unter dem Begriff RM verstanden werden müssen, da die Werkzeuge direkt für die Endanwendung - den Spritzgussprozess - verwendet werden. Aktuelle Trends gehen jedoch in Richtung der Fertigung von Funktionsteilen z.B. für den Maschinenbau. Obwohl sich in der Fertigung komplexer Funktionsteile noch Probleme, z.B. mit in Bezug auf die generative Baurichtung überhängender Bauteilstrukturen ergeben, zeigen sich trotzdem erhebliche Vorteile eines RM mittels SLM. Neben klaren Vorteilen durch das mögliche Customizing von Bauteilen können bei kleineren Bauteilgrössen auch erhebliche Kostenvorteile erzielt werden. Allerdings zeigen die Grenzen der aktuellen Möglichkeiten, in welchen Bereichen das SLM-Verfahren weiterer Entwicklung bedarf. Themen wie Produktivität, die Problematik der nach wie vor notwendigen Supportstrukturen wie auch Qualitätssicherung müssen in den nächsten Jahren angegangen werden, wenn dieses Verfahren den Schritt hin zu einem etablierten Produktionsverfahren und damit zu breiterer Akzeptanz und Anwendung finden soll