Dissertations

Gorges, Stephan;
A lifting and actuating unit for a planar nanoprecision drive system. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (xxi, 112, XI Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Ein wesentlicher Treiber in vielen heutigen Technologiebereichen ist die Miniaturisierung von elektrischen, optischen und mechanischen Systemen. Mehrachsige Geräte mit großen Verfahrbereichen und extremer Präzision spielen dabei nicht nur in der Messung und Qualitätssicherung, sondern auch in der Fabrikation und Manipulation von Nanometerstrukturen eine entscheidende Rolle. Die vertikale Bewegungsaufgabe stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Schwerkraft des bewegten Objektes permanent kompensiert werden muss. Diese Arbeit schlägt dafür eine Vertikalhub- und -aktuiereinheit vor und trägt damit zur Weiterentwicklung von Nanometer-Präzisionsantriebssystemen bei. Grundlegende mögliche kinematische Integrationsvarianten werden betrachtet und entsprechend anwendungsrelevanter Kriterien gegenübergestellt. Der gezeigte parallelkinematische Ansatz zeichnet sich durch seine gute Integrierbarkeit, geringe negative Einflüsse auf die umliegenden Systeme, sowie die Verteilung der Last auf mehrere Stellglieder aus. Folgend wird ein konstruktiver Entwicklungsprozess zusammengestellt, um diese favorisierte Variante weiter auszuarbeiten. Im Laufe dieses Prozesses wird die zu entwickelnde Einheit in das Gesamtsystem eingeordnet und ihre Anforderungen, Randbedingungen und enthaltenen Teilsysteme definiert. Die vertikale Aktuierung besteht dabei aus zwei Systemen: Einer pneumatische Gewichtskraftkompensation und einem elektromagnetischen Präzisionsantrieb. Das technische Prinzip der Hubeinheit wird erstellt und die Teilsysteme im verfügbaren Bauraum angeordnet. Daraus wird ein detailliertes Modell des pneumatischen Aktors abgeleitet, dieser dimensioniert und dessen Eigenschaften bestimmt. Die Ausdehnung dieses Teilsystems definiert die räumlichen Grenzen für den umliegenden Präzisionsantrieb. Zur Auslegung dieses Antriebs wird das Kraft-/Leistungsverhältnis als Zielgröße definiert. Mit Hilfe von numerischer Simulation und Optimierung werden Geometrien für verschiedenste Topologien entworfen und bewertet. Die geeignetste Variante wird mit allen Teilsystemen in eine Einheit integriert und auskonstruiert. Abschließend werden zukünftige Schritte für die Integration der Einheit in ein Präzisionsantriebssystem dargestellt und mögliche Anwendungsszenarien in der Nanofabrikation präsentiert.

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000391

Wohlfahrt, Fabian;
Kraftgesteuerte Messzelle für Dilatometeranwendungen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2019. - 1 Online-Ressource (XVI, 168 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 32)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018

Werkstoffinnovation ist eine wesentliche treibende Kraft des 21. Jahrhunderts. Die Forschung und Weiterentwicklung von innovativen Materialien vergrößert stets deren Anwendungsbereich und den ressourceneffizienten Einsatz in technischen Gebilden. Dieser allgemeine Trend der Weiterentwicklung von Materialien führt zu höheren Anforderungen an Messgeräte, welche die zugehörigen Materialkenngrößen ermitteln. Im Bereich der Dilatometrie wird die Längenänderung von thermisch beeinflussten Materialien analysiert. Zukünftige und zum Teil bereits aktuelle messtechnische Anforderungen von z. B. weichen Materialien können mit bestehenden Möglichkeiten der technischen Realisierung nicht mehr sicher erfüllt werden. Hieraus leitet sich ein Handlungsbedarf hinsichtlich technischer und konstruktiver Weiterentwicklung ab. Ziel dieser Arbeit ist es, den aktuellen Entwicklungsstand zur messtechnischen Erfassung von thermisch induzierten Längenänderungen darzustellen und Möglichkeiten für dessen Weiterentwicklung zu erarbeiten. Hierzu wird das Arbeitsfeld begrifflich und inhaltlich abgegrenzt. Mithilfe einer Betrachtung des Standes der Technik werden Anforderungen für die Weiterentwicklung abgeleitet. Im Rahmen der konstruktiven Entwicklung spielt hierbei die Reduzierung wesentlicher Störeinflüsse auf die Längenänderung der Probe eine entscheidende Rolle. Ein besonderes Ziel besteht darin, den Krafteinfluss während der Längenmessung stark zu verringern sowie den Einfluss durch manuelle Bedienung zu eliminieren. In der vorliegenden Arbeit werden für die Entwicklung und Realisierung einer kraftgesteuerten Messzelle systematisch Lösungsräume erarbeitet sowie anschließend schrittweise hinsichtlich der Erfüllung der gegebenen Anforderungen untersucht und bewertet. Aus methodischer Sicht stellt diese Arbeit eine Vorgehensweise zur zielgerichteten Entwicklung einer kraftgesteuerten Messzelle dar. Die Funktionsfähigkeit des erarbeiteten Konstruktionsentwurfs wird durch experimentelle Ergebnisse im Rahmen des messtechnischen Nachweises bestätigt. Den Abschluss dieser Arbeit bilden sowohl eine Einflussgrößenanalyse als auch eine Zusammenfassung ermittelter charakteristischer Eigenschaften der Messzelle gefolgt von einem Ausblick zur Weiterentwicklung.

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000443

Scheibe, Hannes;
Aktiv-adaptive Polierwerkzeuge zur Herstellung rotationssymmetrischer Asphären. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2017. - 1 Online-Ressource (XVIII, 163 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 28)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016

Optische Technologien sind einer der wesentlichen wirtschaftlichen Treiber des 21. Jahrhunderts. Aus heutiger Sicht besteht speziell für die wirtschaftliche Einzelteilfertigung asphärischer Optikkomponenten als auch optischer Freiformelemente steigender Handlungsbedarf. Diese sind in der geforderten Qualität zwar herstellbar, jedoch verhindern zeitintensive und aufwändige Fertigungsprozesse ihren breiten Einsatz. Der Miniaturisierung und Integration zusätzlicher Funktionalitäten sind unter ausschließlicher Verwendung sphärischer Optikkomponenten enge Grenzen gesetzt, an denen sich heutige Technologien bewegen. Der Einsatz asphärischer Optikkomponenten erlaubt hingegen eine Reduzierung der Anzahl optischer Bauelemente, welche den Bauraumbedarf, das Gewicht, den konstruktiven Aufwand und somit auch die gesamte Komplexität des optischen Systems zu verringern vermag. Ziel dieser Arbeit ist es, eine spürbare Kostensenkung für die Herstellung asphärischer Optikkomponenten zu realisieren. Die dazu erforderliche Weiterentwicklung aktueller Fertigungsprozesse setzt dabei eine tiefgründige wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem Themenkomplex heutiger Optiktechnologien im Allgemeinen sowie der Optikfertigung im Speziellen voraus. Den Einstieg dafür bildet die systematische Analyse bestehender Prozesse zur Herstellung asphärischer Optikkomponenten. Darin wird der Vorpolierprozess als wesentlicher Kostentreiber der Asphärenfertigung identifiziert. Ursachen dafür sind drei wesentliche prozess- und technologiebedingte Nachteile, deren Auswirkungen es zur Realisierung einer kosteneffizienten Fertigung mindestens zu reduzieren, idealerweise zu beseitigen gilt. Darauf aufbauend erfolgt eine Erarbeitung und Vorstellung dreier Lösungsansätze. Deren Vergleich und Bewertung zeigt, dass vollaperturige, aktiv-adaptive Polierwerkzeuge die größten Erfolgsaussichten versprechen. Im Folgenden wird dieser Lösungsansatz durch die Erarbeitung des Lösungsraums untersetzt. Die sukzessive Überführung und Ausgestaltung des vollaperturigen, aktiv-adaptiven Polierwerkzeugs hin zu einem Konstruktionsentwurf erfolgt in Anlehnung an die Systematik der Ilmenauer Konstruktionslehre. Den Abschluss der Arbeit bilden der praktische Verfahrensnachweis des entwickelten Werkzeugs, eine Einflussgrößenanalyse, eine Abschätzung des Einsparpotentials sowie Empfehlungen zur Weiterentwicklung.

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00031241

Selva Ginani, Luciano;
Optical scanning sensor system with submicron resolution. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: XVIII, 142 S., 10,00 MB). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; 24) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
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Laser-Scanning Mikroskopie ist eine im Bereich der Oberflächenmessung wichtige und vielversprechende Technologie für schnelle, genaue und wiederholbare Messungen. Es ist im Grunde eine Technik zur Erhöhung von Kontrast und Auflösung in optischen Abbildungssystemen. Ein Prüfling wird punktweise abgetastet und ein dreidimensionales Bild seiner Oberfläche mit Hilfe eines Rechners erfasst und rekonstruiert. In dieser Arbeit werden Autofokus- und optische Abtastverfahren in der Entwicklung und Konstruktion eines alternativen, vereinfachten Scanning Mikroskops für Oberflächenmessungen im Millimeterbereich mit Sub-Mikrometer Auflösung zusammengebracht. Das entwickelte System verwendet einen auf dem Foucault'sches Schneidenverfahren basierenden Autofokussensor um die Fokuslage zu bestimmen und einen Piezo-Linearantrieb für die Verschiebung des Objektivs entlang der optischen Achse und das Abtasten des Prüflings in der axialen Richtung. Die laterale Abtastung des Prüflings wird durch den Einsatz eines Piezo-Spiegels realisiert, der um zwei Achsen schwenkbar ist. Das entwickelte Mikroskop hat eine reduzierte Anzahl von optischen Komponenten und bietet einen einfachen und vielseitigen Versuchsaufbau zur Messung und Analyse von Fehlern, die durch die bewusste Verwendung von unkompensierten Optiken auftreten. Die damit verbundenen Abbildungsfehler erzeugen Asymmetrien in den Autofokussensoren und beeinträchtigen die Gesamtleistung. Die herkömmliche Lösung dieser Problematik ist das System durch Addition zusätzlicher Komponenten zu verbessern, sodass es wie ein paraxiales System wirkt. Diese Verbesserung bringt aber die Nachteile von Baugröße, Gewicht und Kosten mit sich. Durch das Brechen des Paradigmas der Verbesserung der Optik bis zu einem paraxialen System und die Betrachtung der Optik als Teil eines komplexen Systems ist es möglich, simplere Optik zu verwenden, und die resultierenden Fehler rechnerisch zu korrigieren. Diese Fehler sind systematisch und können - solange sie modelliert und gemessen werden können - vorhergesagt und korrigiert werden. Damit wird das Design des optischen Systems flexibler und die Aufgabe der Fehlerbehandlung zwischen Optimierung der Optik und rechnerischer Korrektur aufgeteilt. Baugröße, Gewicht und Kosten können dann reduziert werden und die Systemdynamik erhöht sich, ohne Einschränkung der Präzision. Das Ziel ist nicht jeden Abbildungsfehler individuell zu untersuchen, sondern deren Zusammenwirken auf die Messungen zu beobachten und zu modellieren. Verschiedene Strategien für die Behandlung dieser Messfehler werden in dieser Arbeit vorgeschlagen, diskutiert und experimentell validiert.

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Dobermann, Dirk;
Stabilisierung der Bildlage abbildener optischer Systeme. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2013. - Online-Ressource. - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; 21) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
Enth. außerdem: Thesen

In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten für die Stabilisierung der Bildlage handgeführter terrestrischer Doppelfernrohre erläutert. Bevor die Erstellung eines Lösungskonzeptes erfolgt, werden wesentliche Kriterien bestimmt, die für die Auslegung der Bildstabilisierung von Bedeutung sind. Hierfür wird das Frequenzspektrum der Bewegungsunruhe bei Freihandbeobachtung für eine Probandengruppe analysiert, die sich aus Personen unterschiedlichen Alters und Geschlechts zusammensetzt. In einem weiteren Schritt wird eine Auswahl der zur Kompensation der Bewegungsunruhe (Störgröße) verwendeten Optik sowie deren Bewegungsfreiheitsgrade, bezogen auf die Ziellinie, getroffen. Dabei wird das Ziel verfolgt, die durch die Bildstabilisierung verursachten Abbildungsfehler gering zu halten. Auf Basis der erarbeiteten Kriterien werden potentielle Lösungswege für eine passive und aktive Bildstabilisierung sowie die Kombination aus beiden, die als hybride Stabilisierung bezeichnet werden kann, untersucht. Alle Lösungen besitzen eine Knickbrücke, welche die Gehäusehälften zur Anpassung an den Augenabstand des Beobachters drehbar miteinander verbindet. Diese Bauform ist für Doppelfernrohre üblich, jedoch für Doppelfernrohre mit Bildstabilisation bisher nicht umgesetzt. Für die Realisierung der Stabilisierungsfunktion werden bestehende Lösungen geprüft, erweitert und mit neuen Ansätzen kombiniert. Das Vorgehen wird stellvertretend am Beispiel der optischen Komponenten des Doppelfernrohres Zeiss Conquest 15x45 BT* erläutert. Diesem liegen die angestellten Berechnungen und Simulationen sowie die konstruktiven Gestaltungsvorschläge zugrunde. Das Hauptaugenmerk der Betrachtungen liegt auf der passiven Bildstabilisierung, die eine Trägheitsstabilisierung darstellt. Hierfür wird ein analytisches Modell erstellt, welches das Schwingungsverhalten durch einen fremderregten gedämpften Einmassenschwinger beschreibt. Die Anregung erfolgt dabei über eine Fußpunktbewegung, die gleichzeitig über Drehfeder und Dämpfer eingeleitet wird. Eine Bedämpfung des mechanischen Schwingers erfolgt durch eine Wirbelstromdämpfung, die eine Form der viskosen Dämpfung darstellt. Die theoretischen Annahmen werden anhand von Experimenten überprüft, in deren Ergebnis die Richtigkeit der Hypothesen nachgewiesen werden konnte. Eine genaue Vorhersage des Schwingungsverhaltens ist durch Einführen von Korrekturkoeffizienten möglich. Das gefundene "reale Schwingermodell" vereinfacht und verkürzt die Entwicklung zukünftiger Systeme zur Stabilisierung der Bildlage. Des Weiteren wird auf eine Anpassung der Stabilisierungseinrichtung eingegangen, die es ermöglicht, das Verhalten an die Beobachtungssituation anzupassen. Somit ist es denkbar, die Bildstabilisierung bei einer Nachführbewegung zur Objektverfolgung zu unterdrücken. Umfassende Überlegungen werden zur prinzipiellen Anordnung der Stabilisatorbaugruppe und zu deren fehlerarmer Montage und Justage angestellt. Für die Umsetzung in einem Funktionsdemonstrator wird die Ausführungsform des Duostabilisators gewählt, bei dem zwei voneinander unabhängige identische Stabilisatorbaugruppen in einem Fernrohrgehäuse erbaut sind. Dabei kann ein synchrones Schwingungsverhalten beider Stabilisatorbaugruppen nachgewiesen werden, wodurch sich ein geringer dynamischer binokularer Gerätefehler einstellt. Die bestehenden Erfahrungen im Fernrohrbau werden mit den neu gewonnenen Erkenntnissen dieser Arbeit kombiniert und fließen in die Entwicklung eines Konzeptes für ein die Bildlage stabilisierendes Doppelfernrohr mit klassischer Knickbrücke ein. Das Grundkonzept lässt sich sowohl auf eine passive wie auch eine aktive Bildstabilisierung übertragen und ermöglicht eine wirtschaftliche und zielgerichtete Entwicklung zukünftiger Produkte mit vorhersagbaren Resultaten. Aus dem vorgestellten Konzept gehen Richtlinien für die Konstruktion hervor, die auf ähnlich gelagerte Anwendungen, wie beispielsweise die Schwingungsdämpfung taktiler Messköpfe, übertragen werden können. Infolgedessen ist der Wissenszuwachs in weiteren technischen Gebieten nutzbar.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=21532

Frank, Thomas;
Konzeption und konstruktive Gestaltung der Messkreise von Nanomessmaschinen. - Münster : Monsenstein und Vannerdat, 2010. - XIII, 164 S. : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
ISBN 978-3-86991-194-6

Nanomessmaschinen dienen zur nanometergenauen Messung von geometrischen Gestaltparametern. Sie sind in verschiedenen Bereichen der Nanotechnologie und Nanoelektronik einsetzbar. Oftmals sind die Messbereiche auf einige Mikrometer bis Millimeter begrenzt, jedoch verlangen neue Anwendungen Nanomessmaschinen mit immer größeren Messbereichen und immer kleineren Messunsicherheiten. Ein wichtiger Bestandteil bei deren Entwicklung ist die Konzeption und konstruktive Gestaltung der Messkreiselemente und insbesondere des Messrahmens. Dafür werden dem Entwickler von Nanomessmaschinen eine Vorgehensweise und Richtlinien zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe einer Messkreisstruktur und eines vektoriellen Messkreismodells können Abweichungen der Messkreiselemente analysiert werden. Um diese klein zu halten werden verschiedene Maßnahmen bei der Konzeption und konstruktiven Gestaltung diskutiert. Anhand eines Messrahmens für eine Nanomessmaschine mit kartesisch-horizontaler Messanordnung wird der konstruktive Entwicklungsprozess gezeigt. Ausgehend von einer universell nutzbaren Kombinationstabelle werden Prinzipvarianten erarbeitet. Anschließend erfolgen eine Variantenauswahl und die Umsetzung der gewählten Variante. Eine theoretische Untersuchung des Fehlerverhaltens mit Hilfe des erarbeiteten messkreisbezogenen vektoriellen Modells bestätigt die Tauglichkeit der Lösung. Mit der kartesisch-tetraederförmigen Messanordnung ist es möglich, das Konstruktionsprinzip der Symmetrie auch für den Messrahmen konsequent einzuhalten. Dies ermöglicht die passive Kompensation von Abweichungen. Zunächst werden die Grundlagen zur Abschätzung der Messunsicherheit der Interferometer mit Hilfe einer Koordinatentransformation geschaffen und angewendet. Anschließend erfolgt der Entwurf eines Messrahmens mit kartesisch-tetraederförmiger Messanordnung. Im Ergebnis entsteht ein "Dreibein"-Messrahmen, dessen Fehlerverhalten untersucht wird. Den Abschluss bildet eine Gegenüberstellung der kartesisch-horizontalen und der kartesisch-tetraedrischen Messanordnung für planare und dreidimensionale Messobjekte hinsichtlich funktioneller, metrologischer und konstruktiver Kriterien. Daraufhin werden allgemeine Schlussfolgerungen für die Auswahl der optimalen Messanordnung gezogen.

Schenk, Christoph;
Theoretische und experimentelle Untersuchungen an ebenen aerostatischen Gaslagerelementen unter Hochvakuumbedingungen. - Göttingen : Cuvillier, 2007. - IX, 166 S. : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2007
ISBN 978-3-86727-470-8

Die Arbeit präsentiert Ergebnisse theoretischer und experimenteller Grundlagenuntersuchungen an ebenen rotationssymmetrischen Gaslagerelementen, die unmittelbar in einer Hochvakuumumgebung eingesetzt werden können. Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Entwicklung hochvakuumtauglicher Gasführungen zu leisten. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Düsenlagerelemente mit Mikroverteilerkanälen und poröse Lagerelemente. In die Lagerelemente integrierte Dichtsysteme führen das zur Ausbildung des tragenden Schmierfilmes benötigte und kontinuierlich einströmende Gas nahezu vollständig wieder ab. Durch die Absaugung des Gases findet im tragenden Gasfilm ein Übergang von der Kontinuumsströmung zur Molekularströmung statt. Zur Dimensionierung der Lagerelemente wird ein einfaches numerisches Modell entwickelt, dass durch die Berücksichtigung dieses Übergangs die Auslegung der Lagerelemente für einen beliebigen Umgebungsdruck ermöglicht. Auch zur Auslegung des Dichtsystems werden umfangreiche Berechnungswerkzeuge bereitgestellt. Es wird gezeigt, inwieweit sich die Charakteristiken beider Lagerelementarten durch das Dichtsystem und die Vakuumumgebung im Vergleich zum Einsatz unter Normalatmosphäre verändern. In einer Gegenüberstellung werden für beide Lagerelementarten im Hochvakuum bei 10^{-7} mbar gute Trageigenschaften und sehr geringe Leckraten <0,3 ælN/min nachgewiesen. Die theoretischen Ergebnisse werden dabei sehr gut durch die experimentellen Untersuchungen bestätigt. Für beide Lagerelementarten werden Möglichkeiten zur Optimierung der statischen Eigenschaften analysiert, die sich aus einer Modifikation der Drosselparameter bzw. durch den Einsatz spezieller Gase ergeben. Experimentell wird gezeigt, dass die an Normalatmosphäre stabil arbeitenden Lagerelemente im Vakuum nach Überschreiten einer Stabilitätsgrenze zu selbsterregten Schwingungen neigen. Das Auftreten der Stabilitätsgrenze wird theoretisch begründet und der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Stabilitätsgrenze analysiert. Ebenso wird in experimentellen Untersuchungen die auf verschiedenen Materialien hervorgerufene Gasabgaberate bestimmt, die bei einer translatorischen Relativbewegung zwischen dem Lagerelement und dem eingesetzten Gegenpart auftritt. Mit der Arbeit gelingt es, die Einsatzmöglichkeit von Gaslagerelementen unmittelbar in einer Hochvakuumumgebung erfolgreich nachzuweisen. Aus den Untersuchungsergebnissen werden Gestaltungsrichtlinien abgeleitet, die zu guten Trageigenschaften, niedrigen Leck- und Gasabgaberaten und einem stabilen Betriebsverhalten der Lagerelemente führen.

Sawaf, Sausan;
Laserbiegen in der Feinwerktechnik, 1998. - [7], 102, [7] Bl. : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 1998