Interne Förderung von Wissens- und Technologietransfer

Institut für Elektrische Energieumwandlung

Heutzutage wird typischerweise die permanent magnetisch erregte Synchronmaschine (PMSM) als Traktionsmaschine für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Die PMSM zeichnet sich durch eine hohe Leistungsdichte und Effizienz aus, benötigt jedoch Permanentmagnete aus seltenen Erden. Die Förderung seltener Erden führt zu Umweltverschmutzungen und die Beschaffung der Magnete zu extremen Lieferabhängigkeiten von China. Die elektrisch erregte Synchronmaschine (EESM) ist eine magnetfreie Alternative zur PMSM. Aufgrund der Regelbarkeit der Rotorerregung können im Teillastbereich und bei hohen Drehzahlen sogar bessere Wirkungsgrade als mit der PMSM erreicht werden. Allerdings werden die Rotorwicklungen der EESM über Schleifringe versorgt. Der Schleifringabrieb darf nicht in den Ölkühlkreislauf der Maschine gelangen. Daher werden die Schleifringe außerhalb des Maschinengehäuses montiert, was zu einem erhöhten Bauraum führt. Außerdem verursachen die Schleifringe drehzahlabhängige Reibungsverluste.

Im Rahmen dieses Projekts wird ein induktiver Übertrager entwickelt mit welchem die Schleifringe der EESM ersetzt werden können. Eine solche Maschine wird induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine (iEESM) genannt. Das kontaktlose Energieübertragungssystem wird für den ungenutzten Bauraum unter dem Statorwickelkopf der Maschine ausgelegt. Darüber hinaus wird ein Funktionsdemonstrator aufgebaut und vermessen. Der induktive Übertrager kommt dabei ohne den Einsatz von teurem und sprödem Ferrit zur Flussführung aus.

[Foto: IEW, Universität Stuttgart]

Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER)

Ziel des Projektes ist in einem konkreten Quartier von Stuttgart West Hitze mit Messungen zu erfassen und konkrete Maßnahmen umzusetzen, sodass Hitzereduktion erfahrbar wird. Durch die Visualisierung und Umsetzungen eröffnen sich Möglichkeiten mit Anwohnenden, Geschäften sowie politischen Entscheidungsträgern leichter in den Dialog zu kommen und Transformation zu erleichtern.

Um dies umzusetzen arbeitet das Projekt mit dem Kooperationspartner der Stadt Stuttgart – Amt für Stadtplanung und Wohnen zusammen. Hier wird der Verkehrsversuch Superblock Stuttgart West koordiniert. Gemeinsam mit Anwohnenden sowie Gewerbetreibenden werden kleine Maßnahmen ausgearbeitet werden, welche dann wissenschaftlich mit Hitzemessungen und kleineren Evaluationsmaßnahmen begleitet werden. Abschließend werden die Ergebnisse in einem Workshop mit Entscheidungsträger*innen diskutiert.

[Foto: IER, Universität Stuttgart]

Institut für Werkzeugmaschinen

In der additiven Fertigung dient häufig metallisches Pulver als Ausgangswerkstoff. Bei diesen Pulverbasierten Prozessen werden kleine Mengen Metallpulver selektiv aufgeschmolzen und bilden somit Bahn für Bahn das zu erzeugende Bauteil. Aufgrund dessen sind die Eigenschaften des Pulvers von entscheidender Bedeutung. Bisher findet eine Qualifizierung stichprobenartig mit aufwendiger Labortechnik statt. In dem Projekt wurde eine Vorrichtung und ein Verfahren entwickelt welche die Qualifizierung und Klassifizierung metallischer Pulver mithilfe eines KI-unterstützten optischen Systems in einem begrenzten Raum ermöglicht. Basierend darauf wird nun die Vorrichtung weiterentwickelt und die zugrundeliegende Datenbank ausgebaut. Ziel dieses Projektes ist es die Vorrichtung und das Verfahren bis hin zu einer Prozessintegration in einer AM Maschine zu entwickeln.

[Foto: IFW, Universität Stuttgart]

Institute for Computational Design and Construction

Buildings account for a significant proportion of global carbon emissions due to the high energy required to maintain indoor comfort. Therefore, reducing the energy needed for heating, cooling, and ventilation is of high importance.

This project aims to construct a functional demonstrator of a weather-responsive shading system. Using the livMatS Biomimetic Shell as a case study building, the project builds upon ICD's long-standing research on the development of moisture-responsive filament materials and the computational 4D-printing of structures inspired by plant cones, which open and close in response to changes in humidity. Taking into account the weather conditions of Freiburg, Germany, the 4D-printed shading elements are programmed to provide shading during the hot and dry summer months while harvesting solar heat during the cold and humid winter months. Designed as part of the building's facade, the 4D-printed shading system is integrated within glass facade panels. A full-scale prototype of the developed facade system was built at the Large-Scale Construction Robotics Laboratory (LCRL). After over a year of verification across all four seasons, the weather-responsive shading system was then transferred to the livMatS Biomimetic Shell. Tessellated over an area of 10m² on the building's upper facade, the 424 adaptive shading elements regulate the indoor climate by self-shaping in response to changes in daily and seasonal weather cycles.

The unique combination of biobased smart materials, bioinspired additive manufacturing, and architectural design has resulted in a zero-energy, self-shading smart facade system that can change shape simply in response to the environment, offering a reliable and robust alternative to HVAC equipment and electromechanical systems for adaptive facades.

[Foto: ICD/ITKE/IntCDC, Universität Stuttgart, Conné van d’Grachten]

Materialprüfungsanstalt

Die magnetischen Streufeldmessung wird für die Bauwerksprüfung bei Brücken und anderen weitgespannten Tragwerken eingesetzt. In den letzten Jahren sind immer mehr Defizite bei diesen Spannbetonbauwerken bekannt geworden. Das Ausmaß der Schäden muss objektiv bewertet werden, damit eine sinnvolle Priorisierung der Sanierungsmaßnahmen durchgeführt werden kann. Bei Spannbetonbauwerken ist die Integrität der Spannstähle ausschlaggebend für die Standsicherheit. Die Spannglieder liegen im inneren des Bauwerkes und können bei einer regulären Bauwerksprüfung nicht beurteilt werden.

Die magnetische Streufeldmessung ist das einzige zerstörungsfreie Prüfverfahren für die Beurteilung von Spanngliedern im Bestand. Der Spannstahl wird mithilfe eines Elektromagneten magnetisiert und das magnetische Streufeld der Spannstähle anschließend mit Magnetfeldsensoren gemessen. In den gemessenen Magnetfeldern können Spannstahlbrüche durch spezifische Anomalien in den Signalen identifiziert werden. Bisher wurden Hall-Sensoren verwendet, um die Magnetfelder zu messen. Diese ausgereifte Sensortechnologie lässt robuste Aussagen über oberflächennahe Spannglieder zu.

Neuartige Quantensensoren für Magnetfeldmessungen basieren auf NV-Zentren (negativ geladene Stickstoff-Vakanzzentren) in der Kristallstruktur von Diamanten und nutzen Elektronenspindefekte zur optischen Analyse der Magnetfelder. Diese Technologie wurde zunächst theoretisch am 3. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart erforscht. Aufgrund des großen Potentials der Technologie wurde das Startup Advanced Quantum GmbH gegründet. Sie entwickelten die Technologie von der theoretischen Anwendung zur Industriereife. Somit stehen erstmals kompakte Quantensensoren für die magnetische Streufeldmessung zur Verfügung.

Durch die höhere Sensitivität und die komplexere Datenstruktur der Quantensensoren sollen die Verfahrensgrenzen der magnetischen Streufeldmessung erweitert werden. Dafür sollen technologische und wissenschaftliche Ansätze aus unterschiedlichen Richtungen verfolgt werden, mit denen zusammengenommen eine deutliche Mehrwertsteigerung der magnetischen Streufeldmessung erzielt werden kann. Das wesentliche Ziel der interdisziplinären Zusammenarbeit von Quantenphysikern und Bauingenieuren ist die Verbesserung der Nachweisbarkeit von Spanndrahtbrüchen unter baupraktischen Bedingungen mithilfe der neuen Sensortechnologie.

[Foto: MPA, Universität Stuttgart]

Institut für Fördertechnik und Logistik

Der Durchmesser von Stahl- und Faserseilen stellt einen der wichtigsten Messgrößen an Seilen dar. Verschleiß, Verformungen durch Überbeanspruchung oder Alterungserscheinungen im laufenden Betrieb stellen dabei einige praxisrelevante Beispiele dar, bei welchen der Seildurchmesser als Kenngröße für den Seilzustand herangezogen werden kann. Da mit einem klassischen Messschieber nur diskontinuierlich und lokal der Durchmesser bestimmt werden kann, zeigt sich die praktische Umsetzung somit zunächst als schwierig.

Ermöglicht wird die automatische und kontinuierliche Messung durch das Messsystem „Stuttgart Diameter Rope Tesing (SDRT)“. Mit der Verwendung des Messprinzips mehrerer Lasermikrometer wird der Schattenriss des Seils aufgezeichnet. Abbildung 1 zeigt die speziell dafür designte Optik, sowie die optimierte Hardware und Messelektronik. Die Elektronik wird dabei durch den Projektpartner Mesomatic GmbH & Co. KG entwickelt.

Mit der gezeigten Anordnung der vier Lasermikrometer lassen sich Seile mit Durchmessern von bis zu 65 mm vermessen. Dabei kann eine Genauigkeit von 14 µm und eine Wiederholgenauigkeit von unter 42 µm erzielt werden.

Die zugehörige Software ist dabei insbesondere darauf optimiert, um aus dem Schattenriss neben dem Seildurchmesser weitere Parameter auswerten zu können. Dazu zählen die Schlaglänge, Ovalität und Welligkeit oder auch die Seilgeschwindigkeit. Zudem soll das SDRT in ein größeres, mehrdimensionales System integriert werden. So können mit nur einer Messung beispielsweise für Stahlseile das Signal einer magnetinduktiven Messung sowie der Durchmesserverlauf aufgezeichnet und betrachtet werden. Mögliche Schadstellen können somit früher und zuverlässiger erkannt werden, sodass die Sicherheit und gleichzeitig die Lebensdauer eines Seils verlängert werden kann.

[Foto: IFT, Universität Stuttgart]

Institut für Maschinenelemente (IMA)

Alle Windenergieanlagen der Multi-Megawatt-Klasse sind heute mit mehrstufigen Getrieben ausgestattet. Durch die Anwendung adaptiver Betriebsstrategien ist es möglich die Lebensdauer dieser Getriebe deutlich zu verlängern. Voraussetzung dafür ist unter anderem eine frühzeitige Schadensdetektion im Betrieb. Anhand des neu entwickelten Technologiedemonstrators konnten verschiedenste Sensorkonzepte erfolgreich erprobt und evaluiert werden. Auch die Anwendungsmöglichkeiten der KI basierten Anomalieerkennung zur Zustandsüberwachung werden demonstriert. Mithilfe geeigneter Sensorik und Auswertealgorithmen können bereits sehr kleine Schäden im Getriebe zuverlässig erkannt werden. Die Ergebnisse des Projekts verbessern nicht nur die Lebensdauer von Bestandsanlagen, sondern erhöhen auch die Ressourceneffizienz von Neuanlagen und unterstützen somit den Fortschritt in der nachhaltigen Energiegewinnung.

[Foto: IMA, Universität Stuttgart]

Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design

In der Anästhesie und Intensivmedizin sind Patienten mit einer Vielzahl an medizinischen Geräten und Leitungen verbunden, was die Komplexität im Rahmen der Behandlung erhöhen kann. Das Ordnungstool für Signal- und Stoffleitungen kann dabei unterstützen, die Leitungen während der Behandlung und Umlagerung zu organisieren, die Sicherheit der Patienten zu erhöhen und die Behandlungszeit zu verkürzen.

Im Rahmen des Projekts wird der bestehende Demonstrator erweitert und ein voll funktionsfähiger Prototyp aufgebaut. Der Prototyp des Ordnungstools wird im Rahmen eines Intensivstationstrainings in einem Simulationszentrum eines Universitätsklinikums mit medizinischem Fachpersonal an einem Manikin eingesetzt und evaluiert. Die Ergebnisse der Evaluation fließen iterativ in die Konstruktion ein und das Projekt wird mit einem weiterentwickelten Prototypen abgeschlossen.

[Foto: IKTD, Universität Stuttgart]

Internationales Zentrum für Kultur- und Technikforschung (IZKT)

In Zeiten zunehmender Wissenschaftsskepsis ist ein am Gemeinwohl orientierter Wissenstransfer in die Gesellschaft, der zum Public Understanding of Science beiträgt und dabei neue Wege der Wissenschaftskommunikation, des Dialogs, ja der Kollaboration sucht, wichtiger denn je. Das Projekt fragt nach den Potenzialen dieses Arbeitsfeldes für die Universität Stuttgart, trägt Ergebnisse aus der vergleichenden Analyse von best-practice Beispielen zusammen und unterbreitet Vorschläge zum Aufbau einer Schnittstelle zwischen dem neu gegründeten Transfercenter TRACES und dem IZKT, um Public Engagement als relevante Transferleistung der Universität Stuttgart noch stärker sichtbar und nutzbar zu machen.

[Foto: IZKT, Universität Stuttgart]

Städtebau-Institut

Container City | Letzter Sommer dokumentiert einen ungewöhnlichen Ort in der gewöhnlichen Stadt und einen letzten Sommer, der keiner war. Im Schatten von s21 und im Scheinwerferlicht von iba27 beleuchtet der im Projekt entstandene Film die produktive Stadt Stuttgart und ihre Internationale Bauausstellung: Verzögerungen im Betriebsablauf der Stadtplanung, das Erbe industrieller Moderne, den menschlichen Maßstab der Baukultur, permanente Temporalität und die notwendig unfertige Stadt. Ein Film über Gehorsam und Bewegung, Aneignung und Umschichten in Stuttgart.