Master's theses, diploma theses

Die Elektromagnetische Kraftkompensation (EMK) ist ein Prinzip, das auch bei hochwertigen Präzisionswaagen angewendet wird. Derartige EMK-Waagen werden aufgrund ihrer Genauigkeit in vielen Bereichen eingesetzt. Allerdings kann ein entsprechendes elektromechanisches System nicht alleine verwendet werden, sondern muss aufgrund seines inneren Aufbaus zusammen mit einem Regler betrieben werden. Dieser Regler führt den elektrischen Stromfluss durch den elektromechanischen Aktor des EMK-Systems nach, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Gewichtskraft des Messobjektes und der elektromagnetisch erzeugten Gegenkraft einstellt. Hierbei kommen neben rein analogen sowie digitalen Reglern auch Mischformen z.B. in Form digital steuerbarer Analogregler zum Einsatz. In dieser Masterarbeit wird beschrieben, wie der Entwurfsprozess, die praktische Realisierung und die experimentelle Untersuchung eines solchen digital steuerbaren, analogen PID-Reglers sowie seiner einzelnen Baugruppen abläuft.

Um eine Methode zur Herstellung minimaler Strukturen auf dreidimensionalen Oberflächen zu untersuchen, eine neuartige fünfachsige Nanomess- und Nanofabrikationsmaschine sollte entwickelt werden. Das Werkzeug wird in einen neuartigen Rotations- und Neigungsaufbau integriert. Mit dessen Hilfe können auch stark gekrümmte, asphärische oder freigeformte Oberflächen orthogonal angetastet werden. Es soll zudem als ein Werkzeug für das Direct Laser Writing verwendet werden. Um mit dem Schreiblaser im optimalen Arbeitspunkt zu schreiben, ist ein Messsystem für die Oberfläche erforderlich. Die anspruchsvollen Bauraumbedingungen erfordern ein miniaturisiertes Mess- und Schreibsystemen. Das Messsystem nutzt zwei Laser und arbeitet auf dem Prinzip eines chromatisch differentiellen Konfokalmikroskops. Es wird so gestaltet, dass das chromatische optische System die Fokusebene des Schreiblasers zwischen den beiden Fokusebenen des Messlasers liegt. Gleichzeitig wird ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis von Differenzsignalen auch als eines der Hauptziele des Designs optischer Systeme betrachtet. Die Arbeit umfasst primär Entwurf und Realisierung dieses hochintegrierten Werkzeugs. Abschließend wird das Werkzeug hinsichtlich seiner Fokusebenen für den Schreib- und die beiden Messlaser charakterisiert. Per Design sollte das Werkzeug die axiale Auflösung kleiner als 1 nm und die laterale Auflösung kleiner als 2 [my]m und sein axialer Messbereich beträgt ca. 10 [my]m. Bei der Charakterisierung stellte sich heraus, dass aufgrund parasitärer Interferenzen und Fokusverschiebungen durch abweichende Wellenlängen es zu Abweichungen von den Zielwerten kam.

Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit findet eine Verifizierung kohärenter Methoden zur Echtzeitmessung von Verformungen und Schwingungen in Maschinen oder Maschinenteilen aufgrund thermischer, statischer und dynamischer Wechsellasten statt. Diese werden insbesondere durch interferometrische Verlagerungsmessungen, an gegen Strukturknoten abgesetzten Retroreflektoren Ensembles erfasst. Dieser beschriebene Messaufbau ist vorzugsweise innerhalb des schutz-gekapselten Maschinenvolumens untergebracht. Dabei wird eine Analyse der Druckschwankungen durchgeführt. Durch eine geeignete Anordnung mit bevorzugt drei Sensoren, können die Geometrieabweichungen Nicken und Gieren simultan erfasst werden. Als Messmittel wird gewöhnlich eine interferometrische Längenmessung verwendet. Diese Art der Messung kann jedoch durch andere Methoden der Längenmessung wie beispielsweise durch die Verwendung von Linearmaßstäben, ersetzt werden. Die Implementierung solcher Linearmaßstäbe ist jedoch aufwendiger und teurer. Durch die Integration eines solchen Systems, können die dynamischen Verformungen zur Kompensation in Messvorgängen ermittelt werden. Als Resultat, werden höhere Messgeschwindigkeiten möglich, welche die Wirtschaftlichkeit fördern.

Diese Arbeit umfasst die Analyse und Weiterentwicklung eines bestehenden Demonstrators einer offenen Fixpunktzelle. Ziel ist es das enthaltene Phasenwechselmaterial in den Phasenübergang zu überführen und diesen Zustand mit einer geeigneten Regelung so lange wie möglich zu halten. Weiterhin wird die vorhandene Elektrik überarbeitet und in geeignetes Gehäuse überführt. Dazu ist die Konstruktion eines geeigneten Sockels nötig um die Fixpunktzelle mit dem Demonstrator mechanisch, sowie elektrisch zu verbinden. Um den Demonstrator bedienen zu können, wird eine geeignete GUI in Python programmiert. Mit dieser kann der Demonstrator gesteuert und geregelt werden.

Die vorliegende Master-Thesis entstand in Kooperation mit der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG und befasst sich mit der Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung von temperatur- und drucksensitiven Farben. Durch die temperatur- und drucksensitiven Farben soll das messtechnische Anwendungsfeld in der Fahrzeugentwicklung erweitert werden. Das Messprinzip der Farben besteht in der Anregung der im Lack enthaltenen Luminophoren durch Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs (beispielsweise UV-Licht). Das Messsignal wird mit Hilfe von Kameras in einem anderen Wellenlängenbereich aufgenommen und weiterverarbeitet. Zu Beginn der Arbeit werden die Anforderungen an den zu entwickelnden Prüfstand erarbeitet. Dazu wird zunächst eine theoretische Recherche durchgeführt. Im Anschluss erfolgt die Ausarbeitung eines Gesamtkonzeptes für den Prüfstand. Der Prüfstand besteht aus einer druckdichten Kammer mit integrierter Heizplatte und optischem Zugang. In der Kammer können unterschiedliche Atmosphären und Temperaturen erzeugt und deren Einflüsse auf die Messergebnisse untersucht werden. Auch die Evakuierung der Kammer ist möglich. Die notwendige Referenzgröße (Oberflächentemperatur) wird durch Extrapolation ermittelt. Dabei können die Einflüsse unterschiedlicher Probenmaterialien, Probengeometrien und Schichtdicken mit hoher Reproduzierbarkeit untersucht werden. Die für die Fertigung und Montage notwendigen 3D-Modelle, Baugruppen und Einzelteilzeichnungen werden mit einem CAD-Programm erstellt.