Prof. Dr. Sandro Wartzack

Chair of Engineering Design, Department of Mechanical Engineering

Research and validation of processes, methods and tools to support the design of medical technologies and interventions.

Research projects

  • Biomechanical Engineering
  • Musculoskeletal Modeling and Simulation
  • Development of Exoskeletons and Ortheses
  • Preoperative Planning of Endosurgeries
  • Analysis and Optimization of User-Product-Interaction

  • Hybride Modelle zur Entwicklung von technischen Systemen für die direkte Interaktion mit dem Menschen am Beispiel für Einheiten aus Power-Tools und Oberkörper-Unterstützungssystemen

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. November 2020 - 30. May 2023
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

    Im Fokus des Antrags steht die Entwicklung einer Methodik für die durchgängige Entwicklung von körpergetragener und handgehaltener technischer Systeme, welche mit dem Menschen im gemeinsamen Leistungsfluss stehen. Die direkte Kopplung eines Unterstützungssystems mit dem Menschen stellt Entwickler dieser Systeme vor besondere Herausforderungen, da die Einheit aus Nutzer, Anwendungskontext und technischem Unterstützungssystem hierfür in ihrer Gesamtheit betrachtet werden muss. Die Konzeption von angepassten Unterstützungssystemen erfordert dabei die Berücksichtigung auftretender spezifischer Interaktionen zwischen Mensch und System im Anwendungskontext. Eine solche systemisch ausgerichtete Entwicklung lässt sich bislang mittels der vorhandenen Methoden und Simulationsmodelle nicht abbilden, da diese entweder auf den Menschen oder auf die Technik fokussiert sind. Das führt zu dem Problem, dass die Entwicklung bisher in weiten Teilen auf das intuitive Einschätzen der Randbedingungen durch die Ingenieure und die Ansätze der Bewegungswissenschaftler angewiesen ist, ohne eine integrative Verbindung beider Disziplinen zu haben. Das zu entwickelnde Vorgehen greift an dieser Lücke an und unterstützt eine gesamtheitliche Gestaltung entsprechender Systeme durch eine Verschmelzung von Methoden der Anwendungsfallmodellierung, Methoden der hybriden Mensch-Technik-Simulation und Methoden zur Gestaltung technischer, körpergetragener und handgehaltener Systeme. Der Stand der Forschung wird mit der zu entwickelnden Methodik um die Möglichkeit erweitert, klassische simulationsgestützte Entwicklungsumgebungen für Ingenieure mit biomechanischen Menschmodellen über eine Co-Simulation zu koppeln und auf deren Basis technische Unterstützungssysteme abgesichert zu gestalten und zu optimieren. Damit knüpft es zum einen an konventionelle Modelle zur Simulation der muskuloskelettalen Beanspruchung und zum anderen an die Simulation der Mensch-Maschine Kollaboration, bspw. für die Programmierung, Ergonomiebewertung oder Bewertung der Sicherheit, an.

  • Wälzlagertoleranzen II - FVA736II

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. June 2020 - 30. November 2022
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

    Mithilfe der Tolerierung sollen technologisch unvermeidbare geometrische Bauteilabweichungen so eingeschränkt werden, dass die Anforderungen an die Montierbarkeit, Funktionalität und Qualität der Produkte erfüllt werden können. Dabei hat das Toleranzmanagement aufgrund der hohen Kostenverantwortung eine enorme wirtschaftliche Relevanz. Zwar existieren Computer Aided Tolerancing (CAT) Softwarewerkzeuge, welche Konstrukteure bei der Bauteiltolerierung unterstützen. Diese Hilfsmittel erfordern für ihren gewinnbringenden Einsatz aber häufig eine zeit- und kostenintensive Ausbildung. Gängige CAT-Anwendungen sind zudem nicht geeignet, die komplexen Wirkzusammenhänge in Wälzlagersystemen abzubilden.

    Eine funktionsgerechte Auslegung von Wälzlagersystemen ist eine Grundvoraussetzung für die Zuverlässigkeit und Sicherheit technischer Systeme und trägt entscheidend zur Prognostizierbarkeit des Systemverhaltens bei. Ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung von Wälzlagersystemen ist die Auswahl der Toleranz- und Lagerluftklasse des Lagers sowie die Tolerierung der Umgebungsbauteile. Für diese Aufgaben existieren zwar bereits einige Gestaltungsrichtlinien, diese haben sich jedoch trotz des technologischen Fortschritts seit mehreren Dekaden kaum verändert. Zudem ist teilweise nicht mehr bekannt, auf welcher Basis diese Gestaltungsrichtlinien erarbeitet wurden. Des Weiteren werden auch bei ihnen die komplexen Wirkzusammenhänge in Lagersystemen in der Regel nur stark vereinfacht abgebildet.Im vorliegenden Forschungsvorhaben wird eine einfach anzuwendende Methodik entwickelt, die sowohl die Komplexität der Wirkzusammenhänge in Wälzlagersystemen als auch die enormen Gestaltungsfreiheiten bei der Tolerierung von Wälzlagersystemen berücksichtigt.

  • Entwicklung und Validierung fortgeschrittener Analysemethoden für abweichungs-behaftete Wälzlagersysteme

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. June 2020 - 30. November 2022
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
  • Customized Digital Engineering für bayerische KMU am Beispiel des Antriebsstrangs elektrischer Fahrzeuge

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. April 2020 - 31. March 2023
    Funding source: Bayerische Forschungsstiftung
    URL: https://www.bayfor.org/forcude
  • Virtuelle und experimentelle Toleranzuntersuchungen abweichungsbehafteter Baugruppen

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: FOR 2271: Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden
    Term: 1. April 2020 - 31. March 2023
    Funding source: DFG / Forschergruppe (FOR)
    URL: https://www.for2271.tf.fau.de/startseite/for-2271-tp1/

    Das Ziel der zweiten Phase des Forschungsvorhabens ist die Erweiterung der prozessorientierten Toleranzvergabe, sodass Toleranzen fertigungs-, montage- und prüfgerecht vergeben und gleichzeitig die Qualitätsanforderungen erfüllt werden können. Dabei sollen nicht nur Prozessschwankungen während der Produktentstehung, sondern auch Verschleißeinflüsse während des Betriebs mit validierten Methoden virtuell abgesichert werden, um eine virtuelle Absicherung der gesamten Produktnutzung mit Werkzeugen des Toleranzmanagements zu ermöglichen.
    Ergänzend dazu soll die Toleranzvergabe optimiert werden, sodass die Qualitätsziele bestmöglich erreicht werden, während prozessbedingte Restriktionen von Seiten der Fertigung und Messtechnik eingehalten werden.

  • Machine Learned Dynamics – Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens von Käfigen mittels maschinellen Lernens im Auslegungsprozess von Wälzlagerungen

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. March 2020 - 31. August 2022
    Funding source: Bayerische Forschungsstiftung
    URL: https://forschungsstiftung.de/Projekte/Details/MeLD-Machine-Learned-Dynamics-Beruecksichtigung-des-dynamischen-Verhaltens-von-Ka

    Schwingungen können bei Wälzlagern zu einer Beeinflussung der Leistungsfähigkeit
    führen, wenn diese auf die Umgebung übertragen werden und Schäden hervorrufen.
    Damit die Dynamik des Wälzlagerkäfigs bewertet werden kann, sind rechenintensive
    Mehrkörpersimulationen notwendig, die nur von Expertinnen und Experten durchgeführt werden
    können. Ziel dieses Projektes ist eine einfache und zeiteffiziente Ermittlung des
    dynamischen Verhaltens von Wälzlagerkäfigen mithilfe von Machine Learning
    Algorithmen, die auf Basis von zahlreichen, validierten Mehrkörpersimulationen
    trainiert wurden. Die ermittelte Käfigdynamik kann anschließend zur Optimierung
    des Käfigs für den auszulegenden Lastfall hinsichtlich Kriterien wie Reibungs- oder
    Schwingungsverhalten verwendet werden. Aufgrund ihrer Rechenzeiteffizienz
    eignen sich solche Algorithmen für den Einsatz in Industrie 4.0 oder IoT.
    Zu Beginn des Projektes müssen alle relevanten Ein- und Ausgabeparameter für die
    Käfigauslegung wie beispielsweise Geometriemerkmale und die daraus resultierende
    Käfigdynamik identifiziert werden. Darauf aufbauend wird ein Simulationsplan
    erstellt, anhand dessen Zusammenhänge im Parameterraum untersucht werden können.
    Die Ergebnisse der anschließenden Mehrkörpersimulationen bilden die Datenbasis
    für das Machine Learning. Damit eine hochwertige Prognose des Algorithmus
    gewährleistet wird, folgt zuletzt eine Verifizierung anhand der Ergebnisse der
    Mehrkörpersimulation und eine Validierung anhand experimenteller Untersuchungen.

  • COFFEE - Collaborative Forgetting for Engineering Design

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: SPP 1921: Intentional Forgetting in Organisationen.Mechanismen des Vergessens als Anpassungsleistungen von Organisationen an eine Umweltstetig wachsender Informationsmengen
    Term: 1. January 2020 - 31. December 2022
    Funding source: DFG / Schwerpunktprogramm (SPP)
    URL: http://www.spp1921.de:8442/projekte/p8.html.de

    In engineering, product development is a collaborative activity, within reusing and adapting existing product models could decrease effort. While capturing design rationale is effective to deal with adaptations by teams, adaptation not only requires joint extension of models, as supported by existing methods for design rationale, but also removing what is no longer relevant or in conflict. Such Intentional Forgetting (IF) is difficult, as may affect assemblages of elements, should not over- or underdelete, and may require undoing. While EVOWIPE (our phase 1 project) has successfully tackled IF, project teams require methods for Collaborative Forgetting:

    • Design Rationale and IF: Neither engineering nor computer science foresee methods to capture reasons for something that has been dismissed. Thus, team members might inadvertently reintroduce what was discarded before. How do we capture and represent design rationales behind forgetting?
    • Varying Levels of Granularity and IF: Collaborative engineering must find compromises between different requirements. How can we establish compromise by partial forgetting?
    • Cooperative Work and IF: Cooperative environments handle conflicts during model extension. Interwoven intricate forgetting is not supported in known cooperative environments. How can we concurrently add and remove designs and avoid inconsistencies?

    COFFEE constitutes basic research about novel collaborative forgetting supporting engineers in developing product models in teams with sophisticated reuse and adaptation. COFFEE will extend successful ontologybased knowledge representations of EVOWIPE.

  • TopoRestruct - Rückführung fertigungs-, beanspruchungs- und funktionsgerechter Konstruktionsgeometrie aus Ergebnissen der Topologieoptimierung in den Produktentwicklungsprozess

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. October 2019 - 30. September 2022
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

    Topology optimisation (TO) methods generate ideal structures for givenobjective functions, loads and boundary conditions. A typical result of aFE-based topology optimisation is a triangulated surface mesh, which in mostcases is largely irregular and does not provide a parametrised CAD geometry.Therefore, further integration into the product development process ischallenging. Automatised, feature-based creation of parametric CAD geometrythus is the aim of “TopoRestruct".

  • Integrated computer-automated tolerance management in early design stages

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. October 2019 - 30. September 2022
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    In the previous research project "Tolerance management in early design stages", fundamental methods for early consideration of tolerances were developed. The results from the application of the individual approaches were linked with each other and with the conventional design process. Since the potential and applicability of these approaches strongly depend on the stored design and tolerance knowledge, the present project focuses not only on the further development of tolerance management methods but also on the specific provision of relevant data. For this purpose, robust design and tolerance management methods developed in the first phase of the project will be expanded and new ones are added in order to support the designer in the tolerance-compliant product development. The scientific challenge is the automation of the process in order to help to achieve reliable results independent of the user. The data management to be developed for this purpose allows consistent management of the product development information (from task classification to detail design) relevant to the tolerancing process. By defining rules (e.g. inferences in ontologies), relevant implicit knowledge can be used in early product development phases to automate the process. In this way, the methodology enables the tolerance concept to be verified even before the final product design without considerable additional effort. Due to the close link to the product development process this methodology improves the product design and thus contributes to avoiding costly iterations at the end of product development.
  • Konstruktive Auslegung wandlungsfähiger Fügeverbindungen

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: Methodenentwicklung zur mechanischen Fügbarkeit in wandlungsfähigen Prozessketten
    Term: 1. July 2019 - 30. June 2023
    Funding source: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    URL: https://trr285.uni-paderborn.de/

    Das Teilprojekt B05 verfolgt das Ziel, eine ganzheitliche Konstruktionsmethode bereitzustellen, die den Produktentwickler befähigt, in der Entwurfsphase sowohl die Gestalt von Fügeteil und Fügestelle festzulegen als auch die Fügeverbindung selbst auszuwählen und rechnerisch zu dimensionieren. Dafür wird ein für den Konstrukteur handhabbares, analytisches Formelwerk sowie ein wissensbasierter Gestaltungsprozess erforscht werden, mit dem die Anforderungen der Fertigung, aber auch der Beanspruchungsgerechtheit berücksichtigt werden können. Unterstützt wird hierdurch vor allem die frühe Phase der Produktentwicklung, noch vor der gestaltgebenden Phase bzw. dem Vorliegen ausdetaillierter CAD-Produktmodelle. Die zentrale wissenschaftliche Herausforderung des Teilprojekts besteht darin, die Methode zur konstruktiven Auswahl und Auslegung mechanischer Fügeverbindungen einerseits handhabbar zu halten und andererseits so anpassungsfähig zu gestalten, um auch verschiedene Fügeverfahren flexibel und robust in wandlungsfähigen Prozessketten auslegen zu können. Um dies zu erreichen, sind Methoden zu erarbeiten, die es erlauben, aus mathematischen Metamodellen analytische Auslegungsformeln abzuleiten. Grundlegend untersucht wird zudem die Erzeugung von aussagekräftigen mathematischen Metamodellen auf Basis experimentell und simulativ gewonnener Daten. Dies stellt aufgrund der Begrenztheit der zugrundeliegenden Daten gegenüber der bekannten, auf großen Datenmengen basierenden Metamodellierung eine besondere Herausforderung dar. Aus Sensitivitäts- und Robustheitsanalysen an den Metamodellen ergeben sich relevante und nicht-relevante Parameter als Basis für die Modellreduktion. Diese sind ferner abzugrenzen in vom Konstrukteur direkt beeinflussbare Parameter (Merkmale) und sich daraus ergebende Parameter (Eigenschaften). Neben der Ermittlung der relevanten Konstruktionsparameter stellt die Betrachtung der geometrischen Gestaltung einen weiteren Fokus des Teilprojekts dar. Die geometrischen Gestaltungsmöglichkeiten und -restriktionen, die sich beispielsweise aus den Anforderungen der Fertigung, aber auch für eine kraftflussgerechte Gestaltung ergeben, sollen dazu in eine Wissensbasis überführt werden. Auf den Ergebnissen der Parameterabstraktion und der Gestaltungsrestriktionen aufbauend ist ein konstruktionsmethodischer Entwicklungsprozess zu strukturieren, der die relevanten Auslegungskriterien wie beispielsweise Steifigkeit, Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit der Verbindung gewichtet und die vom Konstrukteur zu unternehmenden Schritte definiert. Zur Kontrolle der Zielerreichung wird der erarbeitete Konstruktionsprozess am Beispiel des Clinchens zweier gleichartiger Metalle unter statischer Last auf seine Handhabbarkeit hin evaluiert. Nach Abschluss des Vorhabens steht damit eine Konstruktionsmethode zur Verfügung, welche der Wandlungsfähigkeit mechanischer Fügeverbindungen sowie der Robustheit und Übertragbarkeit auf weitere Verfahren Rechnung tragen kann.

  • SPP 2074 Fundamental multiscale investigations for improved calculation of the service life of solid lubricated rolling bearings

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. April 2019 - 31. March 2022
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    URL: https://www.uni-kl.de/spp2074/projekte/projekt-11/

    The project aims at gathering the fundamental knowledge required for improving the calculation of the service life of solid lubricated rolling bearings, which are typically used in vacuum pumps and rotating
    anodes of medical X-Ray devices. The project will specifically focus on MoS2 tribological coatings. The only service life calculation model available up to date relies on an empirical approach, based on the assessment of the wear rate from macroscopic contact parameters such as load and sliding distance. This model does not capture important processes, such as the progressive transfer and redeposition of coating material onto the uncoated counterpart. The proposed investigations will enable the development of a mechanistic model taking into account the influence of the microstructure, texture and stoichiometry of the coating and relying only marginally on empirical parameters. The primary challenge consists into identifying the fundamental mechanisms governing the deformation of the coating during rolling contact and understanding the consequences in term of material removal, as well as its transfer and deposition onto the uncoated counter-part. This goal will be met by implementing a multi-scale approach closely combining experimental
    characterizations with computer simulations. The investigations will focus on two different MoS2 PVD coatings: the first one featuring a strongly basal texture associated with a coarse microstructure and the
    second one a weak texture associated with a fine columnar microstructure. The tribological behavior of these coatings will be investigated at the macroscopic scale by twin-disc tests performed under realistic service conditions. Interrupted monitoring by electron microscopy and atom probe tomography will allow assessing the structural and crystallographic evolution of the coating at the micro and nanoscale as a function of the loading duration. Micromechanical testing will furthermore provide direct insights into the associated deformation and material removal processes. The underlying fundamental mechanisms will finally be revealed by atomistic simulations. As these account for the observed transformation of the coating, they are ultimately responsible for its lifetime, which impliesthat their knowledge will enable formulating a mechanistic model for the service life prediction of MoS2 solid lubricated rolling bearings. The success odds of this project are very high, as the combined expertise of the project partners reaches from tribological
    characterization to material characterization, micromechanics, as well as atomistic simulations of surface chemical processes and deformation.

  • Reibungsoptimierung von Gleit- und Wälzkontakten durch Kohlenstoff- sowie katalytisch aktive Schichten in Kombination mit niedrigviskosen Schmierstoffen

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: Projekt zur Reibungs-Optimierung von Motoren durch Einsatz von triboaktiven Hochleistungskohlenstoff- sowie Eisenbasisschichten und Schmierstoffen
    Term: 1. January 2019 - 31. December 2022
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Industrie

    Ziel des Projektes ist das grundlagenorientierte Verständnis für Reibung und Verschleiß in Wechselwirkungen mit Schmierstoffen. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf metallischen Oberflächen, die mit amorphen Kohlenstoffschichten beziehungsweise metallbasierten Hartstoffschichten versehen sind und mit den jeweiligen Schmierstoffadditven niedrigviskoser Motorenöle wechselwirken. Als Anwendung wird der tribologische Kontakt Nocken/beschichter Tassenstößel aus dem Ventiltrieb von Verbrennungskraftmaschinen als Vertreter eines höher belasteten Gleit-Wälz-Linienkontaktes herangezogen. Zudem soll eine rechnerunterstützte Simulationsmethode entwickelt werden, die sowohl Schicht- als auch Systementwickler dabei unterstützt, auf Basis der vorliegenden Kontaktzustände im genannten tribologischen System die relevanten reibungs- und verschleißreduzierenden Maßnahmen stringent umzusetzen.

  • Developing an Integrated Approach to Consider Individual Psychological and Physiological User Needs in Product Development Tasks

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. November 2018 - 31. October 2021
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    URL: http://gepris.dfg.de/gepris/projekt/398054801?context=projekt&task=showDetail&id=398054801&

    The need of this project arises as a result of the diversity of technical product users. With the ageing of our society, the amount of persons with physical impairments raises. Therefore, mainly physical needs have been considered in the user centered design so far. Indeed the fulfillment of subjective (psychological) needs happens to be as important to ensure a high quality of life for users. Nowadays products for physically impaired people have considerable deficiencies regarding these needs. Consequently they are often negatively stigmatizing. Despite a high functional value in use, these products may be refused and therefore left unused.
    It is a central question, how the design of products for physically impaired people may be like to ensure psychological wellbeing whilst fulfilling physical suitability at the same time. Therefore, the main objective of this research project is a scientifically substantiated approach for an integrated consideration of subjective user needs in the design of products for physically handicapped people.
    There has been done valuable preliminary work by the applicant in this field. Moreover interdisciplinary knowledge in this field generally exists. However, an integrated approach for product design is still lacking. To achieve this, two main goals are in focus. First, a model of product-user-interaction will help to understand the integral elements of user’s requirements structure. Using this model, both physiological and psychological needs will be holistically integrated into product design considerations by purposive user characterization and segmentation strategy. Therefore, physical hand function and psychological attitudes-based user characterization is in first focus to demonstrate the general applicability of the intended approach. Second, a general methodological process scheme will support the design of products for elderly or impaired people both in a physiological and a psychological manner.

  • FOR 2271: Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden

    (Third Party Funds Group – Overall project)

    Term: 1. June 2016 - 31. December 2019
    Funding source: DFG / Forschergruppe (FOR)
    URL: https://www.for2271.tf.fau.de/

    The comprehension of geometric part deviationsand their manufacturing and assembly related sources as well as the investigationof their effects on the function and quality of technical products builds theframework for the planned research group “process-oriented tolerance managementbased on virtual computer-aided engineering tools”. The aim of this researchgroup is the provision of holistic methods and efficient tools for thecomprehensive management of geometric deviations along the product originationprocess, which are to be validated in a model factory. In doing so, aparticular focus is set on the development of a procedure for the fruitfulcooperation of all departments involved in geometric variations management,from product development, to manufacturing, to assembly and to metrology, whichwill enable companies to quickly specify functional tolerances, which aremanufacturable and measurable, and consequently to save costs and to reduce thetime to market.

    In this regard, the vision of the researchgroup is to enable the close collaboration of product development,manufacturing, assembly and metrology in computer-aided tolerancing, i. e.the joint formulation of functional tolerances, which are manufacturable andmeasurable. By enabling this close collaboration, all manufacturing andassembly related sources of later problems regarding the product function andquality can be considered already during early phases of virtual product andprocess development. As a consequence, tolerances can be specified efficientlyand optimized inspection plans as well as robust manufacturing and operatingwindows can be identified, which allows the development of robust products tobe manufactured and measured at low costs.  

    Since geometric part deviations are inevitableand affect the function and quality of technical products, their managementalong the product origination process is essential for the development offunctioning products, which conform to the quality and usage requirements ofcustomers and are successful on international markets. As a consequence,tolerance management is a fundamental task in product development and reachesvarious fields of industry, from consumer to industrial goods. Due to steadilyincreasing requirements on quality and efficiency, it strongly gains importancenot only with large, but also small and medium-sized enterprises. In thiscontext, the industrial application of the scientific findings of the researchgroup will contribute to the success of the German economy.  

2021

2020

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