Theses

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Legnongo Galekassaga, Glenn Tresor ;
Entwicklung einer Vorrichtung zur temporären lösbaren Verbindung elektrischer Leitungselemente an hochempfindlichen Geräten. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die Genauigkeitsanforderungen in Bereichen wie der Präzisionsmesstechnik steigen ständig. Dafür müssen Präzisionsgeräte über eine besonders hohe Empfindlichkeit verfügen, um kleinste Veränderungen in den Messgrößen erfassen zu können. Beispiele sind Präzisionswägezellen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation. Diese werden beispielsweise in Massenkomparatoren eingesetzt. Um den Einfluss von äußeren Störgrößen zu minimieren, werden Präzisionswägezellen in hermetisch abgeschlossenen Kammern betrieben. Verbleibende Störeinflüsse wie die Bodenneigung werden durch gezielte Justierungen kompensiert. Für die Zuführung der notwendigen Energie für die Einleitung des Justiervorgangs müssen in der Regel elektrische Verbindungen zwischen dem Justiersystem und der Steuerung außerhalb der Kammer sichergestellt werden. Diese Verbindungen sind so zu gestalten, dass sie nur geringe Kräfte und Momente übertragen. Nach Abschluss der Justierung müssen die Verbindungen gelöst werden, um selbst geringe Störungen im Messvorgang zu vermeiden. Ziel der Arbeit ist eine Vorrichtung zur Realisierung einer störungsarmen und lösbaren elektrischen Verbindung. Zunächst wird die auf dem Prinzip der magnetischen Kraftkompensation basierende Wägezelle mit ihren Justiermöglichkeiten und Störgrößen näher betrachtet und daraus Anforderungen an die Verbindung formuliert. Bei der Entwicklung wird darauf geachtet, dass die auftretenden parasitären Kräfte, die beim Justiervorgang und bei der Kopplung entstehen, zulässige Werte nicht überschreiten. Es werden mehrere Lösungsprinzipien entwickelt, die auf verschiedenen funktionalen Strukturen basieren. Nach der Auswahl des optimalen technischen Prinzips, anhand einer technisch fundierten Bewertung, wird die Vorrichtung konstruktiv ausgearbeitet. Für die Konstruktion wird eine symmetrische Vorrichtung ausgewählt, die an beiden Seiten der Präzisionswägezelle montiert ist und mit Piezolinearantrieben angesteuert wird. Das elektrische Kontaktelement für jeden elektrischen Pol wird als nachgiebiges Element gestaltet. Dieses wird durch einen Greifer aufgenommen und vorgespannt, und durch einen Piezoantrieb bis zur Anschlussstelle an der Wägezelle geführt. Die Verbindung wird durch die Vorspannung des Kontaktelements an der Anschlussstelle gesichert. Durch die symmetrische Anordnung der Vorrichtung werden parasitäre Momente durch die asymmetrische Beanspruchung minimiert. Nach der Justierung kann die Verbindung wieder gelöst werden, so dass Störeinflüsse minimiert werden.



Castillo Zevillanos, Maria Paula;
Static characterization and optimization of a folded parallelogram flexure guide. - Ilmenau. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Auf Festkörpergelenke basierende Mechanismen sind in der Feinwerktechnik weit verbreitet, da sie höchste Reproduzierbarkeit des Bewegungsablaufs bei definierter Steifigkeit ermöglichen. Darüber hinaus arbeiten sie reibungsfrei, verschleiß- und damit kontaminationsfrei und benötigen keine Schmierung. In dieser Arbeit wird die statische Charakterisierung und Optimierung einer gefalteten parallelogramm-Federführung vorgestellt. Der Führungsmechanismus ist so konzipiert, dass er eine präzise lineare Bewegung mit minimalen parasitären Verschiebungsfehlern und hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber externen Störungen ermöglicht. Dieser auf Biegung basierende Mechanismus wird als Führungskomponente der Kibble-Waage eingesetzt und ist für die ideale lineare Bewegung der hängenden Spule verantwortlich. Die statische Charakterisierung umfasst die Analyse der Steifigkeitseigenschaften der Führung, einschließlich der translatorischen und rotatorischen Steifigkeit. Mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells wird das mechanische Verhalten der Führung simuliert, um die Beziehung zwischen den vorliegenden Rotations- und Translationsverschiebungen und den daraus resultierenden Kraft und Momentreaktionen zu bestimmen. Außerdem wird ein Optimierungsansatz angewandt, um die Fähigkeit der idealen linearen Bewegung der Führung zu verbessern. Ziel ist es, bei unveränderter kleiner Steifigkeit in der gewünschten Bewegungsrichtung die Steifigkeit in allen verbleibenden Freiheiten zu maximieren. Mittels eines multikriteriellen Ansatzes wird unter Berücksichtigung konkurrierender Designzielen eine optimale Konfiguration ermittelt. Verschiedene Konstruktionsparameter wie Höhe, Länge und Breite der einzelnen Elemente des Führungsmechanismus gehen als Variablen in den Optimierungsprozess ein. Die Ergebnisse zeigen, dass eine geometrische Optimierung des Mechanismus möglich ist. Der Optimierungsprozess ermöglicht die Identifizierung eines verbesserten geometrischen Designs, das eine Erhöhung des Steifigkeitswerts um 3000% in einer der erforderlichen Richtungen und ähnliche prozentuale Werte in allen anderen verbleibenden Richtungen erreicht, wodurch die lineare Bewegung des Führungsmechanismus verbessert wird.



Kraidenov, Konstantin;
Entwicklung eines Greif-Schwenk-Systems zum hochgenauen und reproduzierbaren Greifen ungefasster optischer Bauelemente. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

Diese wissenschaftliche Arbeit dient der Entwicklung eines Systemkonzepts zum präzisen Greifen ungefasster optischer Bauelementen. Die hauptsächlichen Anforderungspunkte zum entwickelnden System stellen dabei neben der geforderten absoluten und reproduzierbaren Positioniergenauigkeit auch Aspekte der Bauteilkontamination. Die resultierenden Ansprüche an das Konzept sind vordergründig Spielfreiheit und Verschleißfreiheit. Das gezeichnete Anforderungsprofil erfordert eine Lösung, die über den aktuellen Stand der Technik hinaus geht. Der maßgebliche technische Ansatz, der in dieser Arbeit Eingang findet, basiert auf dem Einsatz nachgiebiger Mechanismen, die die Anforderungen an spiel-, reibungsfreie hochreproduzierbare Bewegungen und somit an eine kontaminationsfreie Konstruktion erfüllen. Die strukturierte Erarbeitung der technischen Lösung dieser Arbeit stellt eine Erweiterung des bestehenden Standes der Technik dar und folgt der bekannten Methode des Konstruktiven Entwicklungsprozesses. Mit den erhaltenen Ergebnissen wird ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung der auf nachgiebigen Mechanismen basierenden Systeme im Allgemeinen als auch zur Weiterentwicklung hochpräziser reproduzierbarer Systeme zum Greifen von ungefassten optischen Bauelemente im Besonderen geleistet.



Herrera Diaz, Diego Luis;
Experimental investigation of a monolithic stiffness-compensating mechanism based on a preloaded spring. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

Nachgiebige Mechanismen mit konzentrierten Nachgiebigkeiten werden in der Feinwerktechnik aufgrund des hoch reproduzierbaren Bewegungsverhaltens, der Spielfreiheit und lediglich innerer Reibung häufig eingesetzt. Die Kinematik der Mechanismen wird durch dünne stoffschlüssige Gelenke definiert, die zudem eine geringe Ausgangssteifigkeit in Arbeitsrichtung ermöglichen. Um die Anforderungen der Anwendungen zu erfüllen, muss die Steifigkeit des Mechanismus weiter reduziert werden. Dies wird erreicht, indem eine Kraft oder ein Moment entgegengesetzt der Rückstellkraft bzw. des Rückstellmoments der Gelenke in das System eingeprägt wird. Der Stand der Technik beschreibt hierfür Lösungen auf der Basis von Massen, Federn oder Permanentmagneten. Um den steigenden Anforderungen in der Feinwerktechnik gerecht zu werden, wurde ein neuartiger monolithischer steifigkeitskompensierender Mechanismus auf Basis einer vorgespannten Feder entwickelt und numerisch untersucht. Die Aufgabe dieser wissenschaftlichen Arbeit war, das Prinzip und das Design des Mechanismus experimentell zu validieren. Dafür wurde ein zuvor konzipierter Versuchsaufbau verwendet. Der Aufbau wurde in Betrieb genommen, die Software für den automatisierten Messablauf entwickelt und die Unsicherheit der Messung bestimmt. Statische Kraft-Weg-Messungen für verschiedene Vorspannpositionen der Feder zeigten, dass das Prinzip des Mechanismus grundsätzlich funktioniert. Die Steifigkeit des gekoppelten Systems, bestehend aus einer Parallelfederführung und dem Kompensationsmechanismus, konnte auf 32,43 % des Ausgangswerts reduziert werden. Eine weitere Verringerung war auf Grund von Fertigungsabweichungen nicht möglich, da das System bei Vorspannung initial ausgelenkt wurde. Zur Bestimmung des Vorspannungswertes für die Nullsteifigkeit wurde die Steifigkeits-Vorspannungs-Kurve linear interpoliert. Bei allen untersuchten Parallelfederführungen liegt die Vorspannung in einem Bereich von 10% unter dem numerisch ermittelten Wert. Dies ist auf Fertigungsabweichungen, insbesondere eine höhere Federrate der Zugfeder, zurückzuführen. In zukünftigen Arbeiten soll das Prinzip und das Design des steifigkeitskompensierenden Mechanismus hinsichtlich der Auswirkungen von Fertigungsabweichungen optimiert werden.



Heil, Tristan;
Mass exchange system for the QEMMS. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Die neue Kibble-Waage des National Institute of Standards and Technology erfordert ein Massenwechselsystem, für vier bis sechs Testmassen. Es dient dazu, die Testmassen innerhalb der Vakuumkammer zu speichern, sie zwischen Speicher und Waagschale zu transportieren und mit akzeptabel kleinen Positionsabweichungen auf der Waagschale zu platzieren. Die Auslegung des Systems wird durch Randbedingungen und Vorgaben aus dem Institut beeinflusst, die zunächst untersucht werden. Darauf aufbauend wird eine theoretische Betrachtung aller möglichen Ausführungen vorgenommen. Nach einer weiteren Eingrenzung der Bedingungen durch eine Analyse der Platzverhältnisse, der Platzierungsfehler und einer Marktrecherche für vakuumtaugliche Translations- und Rotationstische verbleiben neun praktisch umsetzbare Varianten. Diese werden anhand von technischen Prinzipen unter Beachtung der durch das Gesamtkonzept gegebenen Platzverhältnisse näher analysiert. Aus einer systematische Bewertung gehen drei Varianten hervor, die näher untersucht werden. Abschließend wird eine Empfehlung für ein System ausgesprochen, das eine Reihenschaltung einer horizontalen und einer vertikale Verschiebung vorsieht.



Sauer, Adrian;
Numerical analysis on main flexure pivots for Kibble balance mechanisms. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Das neue Design des Mechanismus der Kibble balance am NIST erfordert ein optimiertes Festkörpergelenk, welches minimierte Hysterese-Effekte und Steifigkeit aufweisen soll. Die Rahmenbedingungen sind hierfür eine Axialbelastung von 15 kg bei einer maximalen Auslenkung von ±7˚. Hierfür wird ein zweidimensionales analytisches Modell aus Kombination bisheriger Theorien gebildet, um das Verhalten von Festkörpergelenken zu beschreiben. Dies wird mit einem dreidimensionalen FEA-Modell verglichen, um mögliche Unterschiede festzustellen. Zum Erreichen einer optimalen Geometrie hinsichtlich geringer Steifigkeit und Hysterese, werden hauptsächlich zwei unterschiedliche Geometrien ausgewählt. Diese Kreis- und Ellipsenkontur werden im Hinblick auf das Verhalten beim Variieren von Geometrieparametern untersucht. Als Maß zur Beschreibung des Einflusses werden Sensitivitätsindizes genutzt und anschließend Polynomfunktionen für die Ergebnisgrößen der Steifigkeit und Spannung approximiert. Aus den gebildeten Polynomfunktionen wird anschließend eine optimierte Geometrie für jede Festkörpergelenkkontur ermittelt. Für diese Anwendung wurde im gewählten Parameterbereich eine elliptische Kontur als besser geeignet festgestellt. Diese optimierte Geometrie wird anschließend mit unterschiedlichen Testmassen und variierenden Positionen der Masse weiter untersucht. Zur Bestimmung einer optimierten Geometrie kann grundsätzlich das analytische Modell empfohlen werden, für exakte Resultate des festgestellten Festkörpergelenks sollte allerdings weiterhin das FEA-Modell verwendet werden.



Hilpert, Christian;
Entwicklung einer Transfereinrichtung für nanoskalige Maßstabsverkörperungen auf freigestellte Mikrosysteme. - Ilmenau. - 134 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Auf dem Gebiet der Nanofabrikation wird aktuell intensiv an einem neuartigen Messkonzept geforscht. Dieses soll Positionier- und Messaufgaben mit einer Auflösung unterhalb der atomaren Grenze ermöglichen. Bei diesem Messkonzept werden Maßstabsverkörperungen in Form von Festkörpern mit periodischer Struktur verwendet. Diese werden mit einem spitzenbasierten Messsystem abgetastet. Derartige Maßstabsverkörperungen müssen in entsprechende Positionier- und Messeinrichtungen integriert werden. Bei diesen Einrichtungen handelt es sich um Mikrosysteme. Für die Bestimmung eines geeigneten Integrationsprozesses werden zunächst Synthese- und Transferprozesse systematisiert. Dabei geht der Chip-on-Chip-Transfer in einer Vorauswahl als beste Lösung hervor. Mit diesem Prozess können jegliche Materialien mithilfe eines Trägerchips in ein Mikrosystem transferiert werden. Für die Entwicklung des Chip-on-Chip-Transfers wird zu Beginn eine metrologische Vorbetrachtung zum Einfluss der Lage des Trägerchips auf die Genauigkeit der Positionsmessung durchgeführt. Daraus werden Anforderungen abgeleitet und geeignete Ansätze für Kalibrierverfahren entwickelt. Die Gesamtfunktion des Transfers wird strukturell in Teilfunktionen gegliedert. Für die anschließende Prinzipsynthese wird der Schwerpunkt auf die Kopplung des Trägerchips zum Mikrosystem gelegt. Dafür muss eine spielfreie, unmittelbare und zerstörungsfrei lösbare Verbindung auf Mikrosystemebene konzipiert werden. Anhand eines Ausschlussverfahrens fällt die Wahl auf eine Klemmverbindung. Eine mehrwertige Bewertung zeigt, dass sich in den Trägerchip integrierte Aktoren eignen, um die Klemmung zu schließen beziehungsweise zu lösen. Eine solche Klemmverbindung wird konkretisiert. Für die integrierten Aktoren kommen Bimetall-Aktoren zum Einsatz. Diese werden berechnet und ausgelegt. Unterstützt werden die Bimetall-Aktoren durch ein mechanisches Aufspreizen der Klemmbacken. Dadurch rastet der Trägerchip im Mikrosystem ein und ist in seiner Lage definiert. Ergebnis der wissenschaftlichen Arbeit ist ein konkretisiertes technisches Prinzip, das in einen technischen Entwurf überführt werden kann.



Wolf, Matthias;
Konstruktive Entwicklung eines Toolwechselsystems für Nanopositionier- und Messmaschinen (NPMM). - Ilmenau. - 111 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die Verwendung unterschiedlicher Mess- und Bearbeitungswerkzeuge innerhalb der an der Technischen Universität Ilmenau entwickelten Nanomess-, Nanopositionier- und Nanofabrikationsmaschine macht den Einsatz eines Toolwechselsystems notwendig. Um die räumliche Lage des Toolarbeitspunktes nach dem Wechselvorgang hochreproduzierbar zu definieren, wird eine kinematische Kopplung verwendet. Prinzipbedingt wirkt die Gewichtskraft des Tools der Anordnung der offenen, kraftgepaarten kinematischen Kopplung entgegen, weshalb eine Betriebskraft zum Halten und Vorspannen notwendig ist. Da jede Änderung der elastischen Verformungen an den Koppelpunkten die Reproduzierbarkeit beeinflusst, werden sowohl an die zeitliche, als auch die räumliche Reproduzierbarkeit der Kraftaufbringung höchste Anforderungen gestellt. Ein entwickeltes Berechnungsmodell stellt den Zusammenhang zwischen Betriebskraft und Lage des Toolarbeitspunktes unter Berücksichtigung von elastischen Verformungen und Reibung dar. Auf Grundlage dessen lassen sich konkrete Anforderungen an das Toolwechselsystem ableiten und Lösungsprinzipe entwickeln, die auf der Krafterzeugung durch Federkraft, magnetischer Reluktanzkraft sowie der Gewichtskraft basieren. Mittels einer mehrwertigen Bewertung wurde eine geeignete Prinziplösung ausgewählt, welche die Betriebskraftaufbringung mittels Dauermagneten und drehbaren Flussstücken zum Kurzschließen der Betriebskraft vorsieht. Die Magnetkreise wurden anhand einer magneto-statischer Finite Elemente Analyse hinsichtlich des Arbeitspunktes optimiert. Die konstruktive Umsetzung erfolgte unter Berücksichtigung der Vakuumtauglichkeit mit der Erweiterung einer toolseitig angebrachten Justierung des Toolarbeitspunktes. Die parallele Justierung in x-y-Richtung basiert dabei auf Schraubengetrieben, die Justierung in z-Richtung wird mittels Distanzelementen ausgeführt. Mit dem Einstellen des Luftspaltes über Distanzelemente, wurde weiterhin eine toolseitig angebrachte Justierung der Betriebskraft integriert, sowie ein vakuumtaugliches Antriebskonzept zum vollautomatisierten Kurzschließen der Haltekraft entwickelt. Mit Ableitung eines Technischen Entwurfes wurde die Grundlage für den Bau eines Prototyps geschaffen, anhand dessen eine anschließe Funktionsüberprüfung erfolgen kann.



Veit, Constantin;
Entwicklung eines Ansteuerungskonzepts für mikrotechnische, schwingungsgedämpfte Linearschrittantriebe basierend auf elektrostatischer Krafterzeugung. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Hochgenaue Positioniersysteme werden für wissenschaftliche, wie auch für produktionstechnische Anwendungen benötigt. Das vorhandene Angebot wird beständig ergänzt. Positionierapparate auf Basis des elektrostatischen Prinzips lassen sich relativ einfach in mikroskopischem Maßstab fertigen und sind relativ einfach steuerbar. Die herausragenden elektromechanischen Eigenschaften von monokristallinem Silizium für MEMS-Anwendungen beweisen sich in zahlreichen vermarkteten Erzeugnissen der Halbleiterindustrie. Durchbruchserscheinungen und Instabilitätsphänomene begrenzen die Leistungsfähigkeit elektrostatischer Positioniersysteme. Diese Arbeit beschreibt die Grundlagen und aktuellen Fortschritte der elektrostatischen Aktoren. Sie beschreibt darüber hinaus, wie ein 3-Phasen-Mikrolinearmotor in einem begrenzten Bereich höchstaufgelöste, stabile Positionierbewegungen ausführen kann. Die Funktionsweise elektrostatischer Energiewandler werden dazu eingehend erläutert und Alternativen zu bestehenden Systemen aufgezeigt. Als Ergebnis wird ein neuartiges Aktorprinzip vorgestellt und Konzepte zur Steuerung des Aktors untersucht. Die Arbeit zeigt, dass die maximal erreichbare Wegauflösung eines elektrostatischen Mikropositioniersystems maßgeblich durch die Eigenschaften der versorgenden Energiequelle begrenzt ist. Dementsprechend wird der Fokus auf einflussreiche Komponenten wie Präzisionsspannungsreferenzen gelegt, um die praktisch erreichbare Positionsauflösung weiter zu verbessern. Die in der o.g. Aufgabenstellung verlangte Charakteristik des Mikrolinearmotors, wird durch ein Konzept erreicht, das durch attraktiv wirkende Kapazitäten bewegte Biegebalken mit einem begrenzten Bewegungsraum mit einer Kammstruktur mit frei erweiterbarem Bewegungsraum vereint.



Haupt, Adrian;
Analyse und konzeptionelle Weiterentwicklung eines hochpräzisen elektronischen Autokollimators mit großem Bildfeld. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Diese Arbeit thematisiert die Analyse und die konzeptionelle Weiterentwicklung der konstruktiven Umsetzung eines hochpräzisen elektronischen Autokollimators mit einem großem Bildbereich. Bei der Montage lassen sich die angestrebte Winkelauflösung und die Genauigkeit nur mit großem Aufwand erreichen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Minimierung dieses Aufwands durch eine ausführliche Analyse der vorhandenen konstruktiven Umsetzung und darauf basierend deren konstruktive Verbesserungen. Zur Durchführung der Toleranzanalyse wird der Aufbau des Autokollimators abstrahiert und in Bauteile und Koppelstellen gegliedert. Für diese werden die Toleranzen anhand der nach Stand der Technik zu erreichenden Fertigungstoleranzen sowie Justierauflösungen abgeschätzt. Darauf basierend werden Toleranzketten gebildet, wobei eine Normalverteilung der Toleranzen angenommen wird. Die daraus resultierenden Lageabweichungen der optischen Bauteile werden mit den Vorgaben aus dem Optik-Schema verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Toleranzanforderungen bei nahezu allen Toleranzketten nicht eingehalten werden. Durch eine Betrachtung der Einflussfaktoren auf die Lageabweichungen der optischen Bauteile, werden kritische Punkte in der konstruktiven Umsetzung des Autokollimators identifiziert. Für diese werden allgemeingültige Verbesserungsvorschläge erarbeitet. Die Konkretisierung der Verbesserungsvorschläge auf zwei der gebildeten Toleranzketten zeigt deren Eignung zur Verbesserung der konstruktiven Umsetzung. Die Lageabweichungen der optischen Bauteile werden so weit reduziert, dass die Toleranzvorgaben aus dem Optik-Schema erfüllt werden. Zur Fortsetzung dieser Arbeit müssen die weiteren Toleranzketten in gleicher Weise betrachtet und untersucht werden. Anschließend sind die konstruktive Umsetzung und die Verifizierung der Funktionsfähigkeit durch den Aufbau und den Test eines Demonstrators vorzunehmen.