The Optimization of Packaging System Process Parameters Using Taguchi Method

Packaging systems constitute substantially to product cost, its safety, and optimization. Unfortunately, no previous optimization studies have examined the packaging system in a bottling process plant for the unique, developing country environment. Consequently, the Taguchi method is applied to optimize a process plant's packaging system in a Nigerian plant's real-life situation. Optimal combinations of packaging system parameters that minimize product waste are created. An L4 (23) Taguchi orthogonal array was selected to analyze the data, and signal-to-noise ratios were computed for each experiment's run. Since the aim was to minimize beer waste, the ‘the-smaller-the-better’ signal-to-noise ratio was chosen in the analysis. S/N ratio plots revealed the optimum settings to obtain minimal product waste, namely, A2, B1, and C2 from the main effects plot for signal-to-noise ratios. A two-way ANOVA was performed on the significant factors to determine their percentage contributions to the response (product waste). Through Taguchi's innovative approach, the feasibility of optimizing the packaging process parameters was demonstrated and validated

Modeling the Adoption of Identification Standards Within the Healthcare Supply Chain

The adoption of identification standards and its associated technology in the healthcare supply chain has been slow over the past twenty five years, despite the evidence of the benefits that can be achieved. The widespread use of identification standards in the form of barcode labeled medical products can contribute to the reduction of point of care errors and can increase the efficiency of healthcare supply chain related processes. This research is focused on the analysis of the adoption of identification standards in the healthcare supply chain with a particular focus on the healthcare provider adoption challenges. The research is divided into two phases. The first phase develops an extensive literature review on technology adoption with a particular focus on data standards. This adoption process is compared with the adoption of Electronic Health Records (EHR) and Electronic Data Interchange (EDI); main conclusions from the identification standards literature are presented, and a conceptual model to explain the identification-standards adoption process is proposed. The second phase proposes a model for identification standards adoption using a system dynamics modeling approach. The model builds on previous findings associated to the factors affecting identification standards adoption and relates the specific elements to the adoption rate via a causal loop diagram (CLD). The model is formulated in two stages. In the first stage, the Bass Diffusion Model (BDM) of technology adoption is adapted to simulate the adoption of identification standards supporting technologies. The second stage uses most of the factors defined in the CLD to develop a simulation model. A sensitivity analysis identifies relevant model parameters that facilitated the design of interventions to move the adoption process forward. Finally, the effects of some possible interventions are simulated using the validated model. The model provides an illustration of the use of system dynamics models and diffusion theory to understand an important policy problem reported in the literature and not yet solved. Also this research informs real world practitioners and the academic community on issues like the lack of data and other challenging aspects of empirical research that can be addressed with the proposed model and methodology

Optical MEMS

Optical microelectromechanical systems (MEMS), microoptoelectromechanical systems (MOEMS), or optical microsystems are devices or systems that interact with light through actuation or sensing at a micro- or millimeter scale. Optical MEMS have had enormous commercial success in projectors, displays, and fiberoptic communications. The best-known example is Texas Instruments’ digital micromirror devices (DMDs). The development of optical MEMS was impeded seriously by the Telecom Bubble in 2000. Fortunately, DMDs grew their market size even in that economy downturn. Meanwhile, in the last one and half decade, the optical MEMS market has been slowly but steadily recovering. During this time, the major technological change was the shift of thin-film polysilicon microstructures to single-crystal–silicon microsructures. Especially in the last few years, cloud data centers are demanding large-port optical cross connects (OXCs) and autonomous driving looks for miniature LiDAR, and virtual reality/augmented reality (VR/AR) demands tiny optical scanners. This is a new wave of opportunities for optical MEMS. Furthermore, several research institutes around the world have been developing MOEMS devices for extreme applications (very fine tailoring of light beam in terms of phase, intensity, or wavelength) and/or extreme environments (vacuum, cryogenic temperatures) for many years. Accordingly, this Special Issue seeks to showcase research papers, short communications, and review articles that focus on (1) novel design, fabrication, control, and modeling of optical MEMS devices based on all kinds of actuation/sensing mechanisms; and (2) new developments of applying optical MEMS devices of any kind in consumer electronics, optical communications, industry, biology, medicine, agriculture, physics, astronomy, space, or defense

A Short Review on 4D Printing

Additive Manufacturing can be described as a process to build 3D objects by adding layer-upon-layer of material, the material traditionally being plastics, metals or ceramics, however ‘smart’ materials are now in use. Nowadays, the term “3D Printing” has become a much-used synonym for additive manufacturing. The use of computing, 3D solid modeling applications, layering materials and machine equipment is common to majority of additive manufacturing technologies. Advancing from this 3D printing technology, is an emerging trend for what is being termed “4D printing”. 4D printing places dependency on smart materials, the functionality of additive manufacturing machines and in ingenious design processes. Although many developments have been made, limitations are still very much in existence, particularly with regards to function and application. The objective of this short review is to discuss the developments, challenges and outlook for 4D printing technology. The review revealed that 4D printing technology has application potential but further research work will be vital for the future success of 4D printing

Advanced titanium welding in particle physics and aerospace engineering

The quest for answers that will unlock the mysteries of the cosmos and broaden our perception and understanding of the physical laws that govern the universe, demands studying particle collisions of high energies at particle accelerators. Monitoring of these collisions requires complex detectors whose development pushes the boundaries of engineering. In the present study advanced titanium welding is explored in the development of the new ATLAS Inner Tracker detector to be installed in line with the High-Luminosity Large Hadron Collider at CERN. Pulsed welding currents are employed to join thin titanium pipes used in the detector’s evaporative CO2 cooling system. The benefits of the low heat input enabled by the welding process are utilised in the repair and remanufacturing industry of aerospace applications. Wire arc additive manufacturing is applied in the regeneration of aerospace components providing successive material deposition on a layer-upon-layer manner. To this extent investigations and implementations related to Pulsed Gas Tungsten Arc Welding are explored in the presented work aiming to further understand, implement and advance the welding process. Assurance of the weld quality is furthered studied, as the outcome of the process depends on maintaining input parameters and welding conditions at optimum levels for the whole duration of the process. By implementing process monitoring methodologies, invaluable data are recorded whose analysis can be utilised in the detection of process disturbances and weld quality assessment

A Hierarchical, Fuzzy Inference Approach to Data Filtration and Feature Prioritization in the Connected Manufacturing Enterprise

The current big data landscape is one such that the technology and capability to capture and storage of data has preceded and outpaced the corresponding capability to analyze and interpret it. This has led naturally to the development of elegant and powerful algorithms for data mining, machine learning, and artificial intelligence to harness the potential of the big data environment. A competing reality, however, is that limitations exist in how and to what extent human beings can process complex information. The convergence of these realities is a tension between the technical sophistication or elegance of a solution and its transparency or interpretability by the human data scientist or decision maker. This dissertation, contextualized in the connected manufacturing enterprise, presents an original Fuzzy Approach to Feature Reduction and Prioritization (FAFRAP) approach that is designed to assist the data scientist in filtering and prioritizing data for inclusion in supervised machine learning models. A set of sequential filters reduces the initial set of independent variables, and a fuzzy inference system outputs a crisp numeric value associated with each feature to rank order and prioritize for inclusion in model training. Additionally, the fuzzy inference system outputs a descriptive label to assist in the interpretation of the feature’s usefulness with respect to the problem of interest. Model testing is performed using three publicly available datasets from an online machine learning data repository and later applied to a case study in electronic assembly manufacture. Consistency of model results is experimentally verified using Fisher’s Exact Test, and results of filtered models are compared to results obtained by the unfiltered sets of features using a proposed novel metric of performance-size ratio (PSR)

Modellbasierter Systementwurf zur Steuerung und Regelung quasi-statischer Mikroscannerspiegel mit elektrostatischem Kammantrieb

Aus einkristallinem Silizium gefertigte Mikroscanner werden zunehmend in Anwendungen zur Bildprojektion, Entfernungssensorik, Spektroskopie und gezielten Strahlführung von Lasern eingesetzt, denn sie ermöglichen die Miniaturisierung und Massenfertigung optischer Systeme. Durch die statische Strahlpositionierung und zum linearen Rasterscannen in einem breiten Frequenzbereich von Null bis mehrere hundert Hertz eröffnen sogenannte quasi-statische Mikroscanner im Vergleich zu bisherigen resonant schwingenden Mikroscannern ein deutlich breiteres und flexibleres Anwendungsspektrum. Jedoch wird die Bewegung aufgrund der extrem geringen Dämpfung des Systems mit Eigenschwingungen überlagert. Daher ist die Steuerung und Regelung eine notwendige Voraussetzung für die hochdynamische und präzise Strahlführung mit quasi-statischen Mikroscannern. In dieser Arbeit werden verschiedene Steuerungs- und Regelungskonzepte für quasi-statische Mikroscanner mit elektrostatischem Kammantrieb entworfen und auf einem Echtzeitsystem mit optischer Rückführung experimentell verifiziert. Das nichtlineare mechatronische Modell wird vollständig parametrisiert und geeignete Trajektorien mit Ruckbegrenzung werden hergeleitet. Schließlich werden die Regelung des Mikroscanners mit einem Mikrocontroller durch die im Chip integrierte piezoresistive Positi-nssensorik validiert und ein 2D-Rasterscan realisiert. Als Ergebnis werden Folgerungen für den Systementwurf von quasi-statischen Mikroscannern abgeleitet.:Kurzfassung Abstract Inhaltsverzeichnis Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Anwendungsgebiete 1.2 Antriebsprinzipien für Mikroscanner 1.3 Quasi-statische Mikroscanner des Fraunhofer IPMS 1.4 Mechatronische Modellbildung 1.4.1 Elektrostatischer Elementarwandler 1.4.2 Mechanische Beschaltung 1.4.3 Impedanzrückkopplung 2 Stand der Technik und eigene Beiträge 2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Aspekte 2.1.1 Steuerung 2.1.2 Regelung 2.2 Präzisierung der Aufgabenstellung 2.3 Problemstellungen und eigene Beiträge 3 Modellbildung 3.1 Physikalische Modellbildung 3.1.1 Elektrisches Teilsystem 3.1.2 Mechanisches Teilsystem 3.1.3 Mechatronischer Wandler 3.2 Regelungstechnische Modellbildung 3.2.1 Kleinsignalmodell 3.2.2 Zustandsraummodell und Flachheit 3.3 Experimentelle Modellbildung 3.3.1 Bestimmung der Federsteifigkeit und der Dämpfung 3.3.2 Bestimmung der Kapazitätskennlinien 3.4 Schlussfolgerungen 4 Trajektorienentwurf 4.1 Anforderungen 4.1.1 FOURIER-Zerlegung von Dreieck- und Sägezahnfunktion 4.1.2 Überlagerung mit der Streckendynamik 4.2 Ruckbegrenzung 4.2.1 Stufentrajektorie 4.2.2 Dreieck- und Sägezahntrajektorien 4.3 Entwurf mit Regelreserve 4.3.1 Aktuationsbereich 4.3.2 Regelreserve 4.4 Schlussfolgerungen 5 Steuerungs- und Regelungsentwurf 5.1 Steuerung 5.1.1 Statische Steuerung 5.1.2 Vorfilter 5.1.3 Flachheitsbasierte Vorsteuerung 5.1.4 Simulationsergebnisse 5.1.5 Fazit 5.2 Vorauswahl geeigneter Regelungsalgorithmen 5.3 Lineare Regelung 5.3.1 Robuster PID-Regler 5.3.2 Gain-Scheduling-Regler 5.4 Nichtlineare Regelung 5.4.1 Flachheitsbasierte Regelung 5.4.2 Gleitzustandsregelung 5.4.3 Beobachterentwurf 5.4.4 Flachheitsbasierte Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung 5.4.5 Fazit 5.5 Repetitive Regelung 5.5.1 Dimensionierung des Stabilitätsfilters 5.5.2 Dimensionierung des Lernfilters 5.5.3 Entwurf im linearen und nichtlinearen Regelkreis 5.6 Simulative Verifikation der Regelungsalgorithmen 5.6.1 Simulationsmodell 5.6.2 Simulationsergebnisse 5.6.3 Reglerparametrierung 5.6.4 Regelfrequenzvariation 5.6.5 Variation der Modellparameter 5.6.6 Einfluss von Messrauschen 5.7 Schlussfolgerungen 6 Experimentelle Systemverifikation und Diskussion 6.1 Messaufbau mit Echtzeitsystem 6.1.1 Messaufbau 6.1.2 Echtzeitsystem 6.1.3 Auswertung des optischen Positionsdetektors 6.2 Experimentelle Ergebnisse mit Echtzeitsystem 6.2.1 Fehlerdefinition 6.2.2 Modellverifikation 6.2.3 Ergebnisse der Steuerungsverfahren 6.2.4 Ergebnisse der Regelungsverfahren 6.3 Regelung mit Mikrocontroller 6.3.1 Mikrocontroller und Treiberelektronik 6.3.2 Integrierte piezoresistive Positionssensorik 6.3.3 Regelungsergebnisse mit Mikrocontroller 6.4 Zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse 7 Folgerungen für den Systementwurf 7.1 Entwurfsraum 7.1.1 Dynamische Deformation 7.1.2 Stabilitätsspannung 7.1.3 Trajektorienentwurfsraum 7.2 Einsatz der Steuerung und Regelung 7.3 Varianten der Kammanordnung 8 Zusammenfassung 8.1 Erreichte Ziele 8.2 Ausblick 8.3 Abschlussfazit Literaturverzeichnis Publikationen Anhang A Modellbildung und Simulation A.1 Elemente der strukturierten Analyse A.2 Grundlagen der Elektrostatik A.3 Ausführlicher Lagrange-Formalismus A.3.1 Q-Koordinaten A.3.2 PSI-Koordinaten A.4 Kapazitätskennlinien A.5 Impedanzrückkopplung A.6 Mikroscannerparameter A.7 Regelparameter der Simulation A.8 Stabilitätsnachweis der flachheitsbasierter Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung Anhang B Experimentelle Verifikation B.1 Regelparameter der Messung B.2 Spannungs- und Winkelbeschleunigungsverläufe B.3 Ergebnisse der repetitiven Regelung mit Sägezahntrajektorie B.4 Impedanzmessung der Kammkapazitäten B.5 Geräteliste ThesenMonocrystalline silicon microscanners are increasingly used in applications for image projection, distance sensors, spectroscopy and laser beam control, because they allow the miniaturization and mass production of optical systems. With static beam positioning and linear raster scanning abilities in a wide range of zero to several hundred hertz the so-called quasi-static microscanners offer a much broader and more flexible range of applications compared to common resonantly oscillating microscanners. However, the movement is superimposed with natural oscillations due to the extremely low system damping. Therefore, an open-loop and closed-loop control is necessary for highly dynamic and accurate beam control with quasi-static microscanners. In this thesis different concepts for open-loop and closed-loop control of quasi-static microscanners with electrostatic comb drives are designed and verified experimentally on a real-time system with optical feedback. The nonlinear mechatronic model becomes completely parameterized and suitable trajectories with jerk limitation are derived. The control of the microscanner on a microcontroller with feedback by the on-chip inte-rated piezoresistive position sensors is validated realizing a 2D raster scan. As a result, conclusions for the system design are derived for quasi-static microscanners.:Kurzfassung Abstract Inhaltsverzeichnis Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Anwendungsgebiete 1.2 Antriebsprinzipien für Mikroscanner 1.3 Quasi-statische Mikroscanner des Fraunhofer IPMS 1.4 Mechatronische Modellbildung 1.4.1 Elektrostatischer Elementarwandler 1.4.2 Mechanische Beschaltung 1.4.3 Impedanzrückkopplung 2 Stand der Technik und eigene Beiträge 2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Aspekte 2.1.1 Steuerung 2.1.2 Regelung 2.2 Präzisierung der Aufgabenstellung 2.3 Problemstellungen und eigene Beiträge 3 Modellbildung 3.1 Physikalische Modellbildung 3.1.1 Elektrisches Teilsystem 3.1.2 Mechanisches Teilsystem 3.1.3 Mechatronischer Wandler 3.2 Regelungstechnische Modellbildung 3.2.1 Kleinsignalmodell 3.2.2 Zustandsraummodell und Flachheit 3.3 Experimentelle Modellbildung 3.3.1 Bestimmung der Federsteifigkeit und der Dämpfung 3.3.2 Bestimmung der Kapazitätskennlinien 3.4 Schlussfolgerungen 4 Trajektorienentwurf 4.1 Anforderungen 4.1.1 FOURIER-Zerlegung von Dreieck- und Sägezahnfunktion 4.1.2 Überlagerung mit der Streckendynamik 4.2 Ruckbegrenzung 4.2.1 Stufentrajektorie 4.2.2 Dreieck- und Sägezahntrajektorien 4.3 Entwurf mit Regelreserve 4.3.1 Aktuationsbereich 4.3.2 Regelreserve 4.4 Schlussfolgerungen 5 Steuerungs- und Regelungsentwurf 5.1 Steuerung 5.1.1 Statische Steuerung 5.1.2 Vorfilter 5.1.3 Flachheitsbasierte Vorsteuerung 5.1.4 Simulationsergebnisse 5.1.5 Fazit 5.2 Vorauswahl geeigneter Regelungsalgorithmen 5.3 Lineare Regelung 5.3.1 Robuster PID-Regler 5.3.2 Gain-Scheduling-Regler 5.4 Nichtlineare Regelung 5.4.1 Flachheitsbasierte Regelung 5.4.2 Gleitzustandsregelung 5.4.3 Beobachterentwurf 5.4.4 Flachheitsbasierte Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung 5.4.5 Fazit 5.5 Repetitive Regelung 5.5.1 Dimensionierung des Stabilitätsfilters 5.5.2 Dimensionierung des Lernfilters 5.5.3 Entwurf im linearen und nichtlinearen Regelkreis 5.6 Simulative Verifikation der Regelungsalgorithmen 5.6.1 Simulationsmodell 5.6.2 Simulationsergebnisse 5.6.3 Reglerparametrierung 5.6.4 Regelfrequenzvariation 5.6.5 Variation der Modellparameter 5.6.6 Einfluss von Messrauschen 5.7 Schlussfolgerungen 6 Experimentelle Systemverifikation und Diskussion 6.1 Messaufbau mit Echtzeitsystem 6.1.1 Messaufbau 6.1.2 Echtzeitsystem 6.1.3 Auswertung des optischen Positionsdetektors 6.2 Experimentelle Ergebnisse mit Echtzeitsystem 6.2.1 Fehlerdefinition 6.2.2 Modellverifikation 6.2.3 Ergebnisse der Steuerungsverfahren 6.2.4 Ergebnisse der Regelungsverfahren 6.3 Regelung mit Mikrocontroller 6.3.1 Mikrocontroller und Treiberelektronik 6.3.2 Integrierte piezoresistive Positionssensorik 6.3.3 Regelungsergebnisse mit Mikrocontroller 6.4 Zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse 7 Folgerungen für den Systementwurf 7.1 Entwurfsraum 7.1.1 Dynamische Deformation 7.1.2 Stabilitätsspannung 7.1.3 Trajektorienentwurfsraum 7.2 Einsatz der Steuerung und Regelung 7.3 Varianten der Kammanordnung 8 Zusammenfassung 8.1 Erreichte Ziele 8.2 Ausblick 8.3 Abschlussfazit Literaturverzeichnis Publikationen Anhang A Modellbildung und Simulation A.1 Elemente der strukturierten Analyse A.2 Grundlagen der Elektrostatik A.3 Ausführlicher Lagrange-Formalismus A.3.1 Q-Koordinaten A.3.2 PSI-Koordinaten A.4 Kapazitätskennlinien A.5 Impedanzrückkopplung A.6 Mikroscannerparameter A.7 Regelparameter der Simulation A.8 Stabilitätsnachweis der flachheitsbasierter Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung Anhang B Experimentelle Verifikation B.1 Regelparameter der Messung B.2 Spannungs- und Winkelbeschleunigungsverläufe B.3 Ergebnisse der repetitiven Regelung mit Sägezahntrajektorie B.4 Impedanzmessung der Kammkapazitäten B.5 Geräteliste These