Fakultät Maschinenbau und Versorgungstechnik
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High-speed observation of melt pool-vapor interactions in long-pulsed laser ablation of metals
(2025)
Laser ablation of metals can be performed using cost-effective and efficient continuous wave fiber lasers using the fast power modulation capabilities of these beam sources. Single-pulse laser ablation of steel with pulse durations in the microsecond to millisecond time scale is observed using a high-speed camera setup to investigate the dynamic interactions between the generated melt pool and the vapor phase. Distinct processing regimes were identified depending on the pulse duration, temporal pulse shape, and power density. Pulse durations in the microsecond range can lead to beneficial processing conditions for ablation processes. In this regime, phase explosion and dynamic melt expulsion by melt uplift and coaxial droplet ejection due to the rapid drop in vapor pressure after the laser pulses were observed as desirable mechanisms, leading to effective material removal and high processing quality with little melt adhesion.
Die Entwicklung komplexer, vernetzter mechatronischer Systeme erfordert von angehenden Ingenieur:innen nicht nur Fachwissen, sondern auch fundierte Methodenkompetenzen im Systems Engineering. Dieser Beitrag präsentiert das praxisorientierte Lehrkonzept des Projekts DriveOhm der Technischen Hochschule Nürnberg, das Studierenden SE-Methoden durch anwendungsnahe Erfahrungen vermittelt. Als experimentelle Plattform für problembasiertes Lernen dienen speziell ausgestattete Modellfahrzeuge. In Teamarbeit entwickeln Studierende damit eigenständig mechatronische Fahrzeugsysteme, wie z.B. Fahrerassistenzsysteme, und wenden dabei zentrale SE-Methoden aus den Bereichen Requirements Engineering, Systemarchitekturentwicklung sowie Verifikation & Validierung an. Die Evaluation zeigt, dass die Modellfahrzeuge ein effektives Mittel sind, um theoretisches Wissen mit praktischer Anwendung zu verknüpfen und SE-Kompetenzen nachhaltig zu fördern. Der Beitrag diskutiert Erfolgsfaktoren und Herausforderungen bei der Umsetzung dieses didaktischen Ansatzes in der ingenieurwissenschaftlichen Lehre und zeigt auf, wie der spielerische Zugang über die Modellfahrzeugen nicht nur die Motivation steigert, sondern auch zur besseren Vorbereitung auf die berufliche Praxis beiträgt.
Die Nutzung geothermischer Energie stellt eine langfristig tragfähige und nachhaltige Form der Wärmegewinnung dar. Das zugrunde liegende Prinzip besteht darin, Wärme aus tiefen geologischen Schichten durch zirkulierende Flüssigkeiten zu extrahieren. Besonders für Ballungsräume wie Nürnberg bietet die Geothermie großes Potenzial für eine klimaneutrale Versorgung.
Im Rahmen dieser Arbeit wird das Konzept eines Geothermie-Projekts für Nürnberg untersucht – unter Berücksichtigung eines bereits realisierten Systems in Geretsried, dem sogenannten Eavor-Loop. Dieses innovative Bohrsystem ermöglicht eine geschlossene Zirkulation von Wasser in tiefen Bodenschichten, wo es durch Erdwärme erhitzt wird. Die dort eingesetzten vier vertikalen Bohrungen reichen etwa 4000 Meter in die Tiefe und biegen anschließend horizontal ab, um weitere 3000 Meter als Lateralbohrungen zu verlaufen. Am Ende der Strecke werden die Bohrpfade zu einem geschlossenen Kreislauf zusammengeführt. Im Gegensatz zum Projekt in Geretsried weist das geplante System in Nürnberg jedoch Unterschiede auf, insbesondere bei der Steigung der Lateralbohrungen (20° statt 90°) sowie in der geologischen Beschaffenheit des Untergrunds. Ziel dieser Arbeit ist es, die technischen Anforderungen der Bohrung, die spezifischen Bodenschichten in Nürnberg sowie die geometrische Konzeption des Systems zu analysieren und auf Basis bestehender Erfahrungen sinnvolle Anpassungen für den Standort Nürnberg vorzuschlagen.
The load-bearing capacity of industrial worm gearboxes is primarily limited by failure of the worm wheel due to the soft bronze material. While worm gear boxes with higher strength wheel materials like cast iron or steel are most used in low-speed applications, the usage of these materials is generally increasing for a variety of applications. Therefore, the load limiting part of the gearbox is shifting towards the worm shaft, which is usually only designed against deflection. Fractures of worm teeth have been observed occasionally in the past, but only simplified approaches for the stress calculation—if any—are provided in worm gear standards. This paper therefore aims to further develop existing methods from the authors by investigating the influence of the tooth profile on the stress in the worm tooth root. A detailed analysis of the stress in the tooth root using the finite element method is provided. To determine the fracture behaviour due to static overload, two geometrically different worm gear shafts with concave and convex flank profiles taken from an industrial worm gearbox are investigated. A single tooth of the worm shaft is loaded by the means of a tensile test machine until a fracture occurs. The theoretical stresses are compared with the observed fractures.
Die Arbeit analysiert die technische Machbarkeit eines tiefengeothermischen
Fernwärmesystems für die Stadt Nürnberg auf Basis der Eavor-Loop-Technologie. Dazu wurde ein stationäres Wärmeübertragungsmodell entwickelt, das vertikale Hauptbohrungen sowie geneigte Lateralbohrungen mit einer Gesamtlänge von bis zu 8.000 m berücksichtigt. Die Simulation integriert standortspezifische geologische Formationen und deren thermische Eigenschaften. Bei optimierten Betriebsparametern erreicht das System die für urbane Wärmeversorgung erforderliche Nennleistung von 15 MW. Die geschätzte Lebensdauer hängt deutlich vom thermischen Einflussradius ab;
eine Verdopplung des Einflussradius von 100 m auf 200 m führt zu einer mehr als vierfachen Steigerung der Lebensdauer von etwa 66 auf über 300 Jahre bei geforderter Nennleistung. Die Modellvalidierung mittels mehrfacher Berechnungsverfahren bestätigt mit geringen Abweichungen die Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse und unterstreicht das erhebliche Potenzial tiefengeothermischer Systeme für eine defossilisierte, urbane Wärmeversorgung.
Druck- und Strömungssimulation eines geschlossenen Loop-Tiefengeothermiesystems im Großraum Nürnberg
(2025)
Dieser Bericht analysiert die Strömungs- und Druckverhältnisse in einem geschlossenen, geothermischen Eavor-Loop™-System, das als innovative Lösung für die nachhaltige Wärmeversorgung konzipiert ist. Ziel der Untersuchung ist es, das Potenzial dieses Systems zur Einspeisung von 15 MW thermischer Leistung in ein Fernwärmenetz zu evaluieren. Im Mittelpunkt stehen die detaillierte Modellierung der Druckverluste, die temperaturabhängige Dichteberechnung sowie die Analyse der natürlichen Zirkulation des Wärmeträgermediums ohne zusätzliche Förderpumpen. Die Studie verwendet bewährte ingenieurwissenschaftliche Methoden wie die PPDS-Gleichung zur Dichtebestimmung und die Swamee-Jain-Näherung für die Rohrreibungszahl. Die Ergebnisse zeigen, dass das System unter den getroffenen Annahmen eine ausreichende Druckdifferenz für den selbsttätigen Betrieb erzeugt und somit eine energieeffiziente und wartungsarme Nutzung geothermischer Energie ermöglicht. Die Validität der Modellierung wird durch den Vergleich mit Literaturwerten bestätigt. Auf Grundlage der durchgeführten Simulationen erscheint ein Betrieb des Systems ohne zusätzliche Antriebspumpe realisierbar. Der Thermosyphon-Effekt ist so stark ausgeprägt, dass eine gezielte Drosselung des Systems
erforderlich ist, um den gewünschten Durchfluss zu gewährleisten.
Ausgehend vom geschlossenen Tiefengeothermie-Schema auf dem Deckblatt untersucht diese Arbeit die stationäre Wärmeleistung eines 8 km langen Doppelbohr-Loops unter Nürnberger Randbedingungen. Ein numerisches 1-D-Modell koppelt den radialen Wärmestrom des Untergrunds mit der Rohrströmung und berechnet Temperaturprofile für Speicherradien von 35 m und 70 m. Bei einem thermosiphontauglichen Massenstrom von 36 kg/s liefert der Loop rund 16 MW Nutzwärme; bis etwa 60 kg/s wächst die Leistung nahezu proportional, danach flacht die Kennlinie deutlich ab. Die Vergrößerung des Betrachtungsradius erhöht das verfügbare Felsvolumen um das Vierfache, senkt aber die Momentanleistung nur marginal. Damit kann das System wahlweise auf maximale Laufzeit oder minimierten Ausbauaufwand optimiert werden und erfüllt in beiden Fällen die Fernwärme-Vorgabe von 15 MW.