Studienabschlussarbeiten

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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.



Renner, Maximilian;
Entwicklung eines Konzepts zum verlustleistungslosen Halten von Tools in Nanofabrikationsmaschinen. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die an der Technischen Universität Ilmenau entwickelten Nanopositionier- und Nanomessmaschinen werden in aktuellen Forschungsarbeiten für die Nanofabrikation erweitert. Erforderliche Sensoren und Werkzeuge sollen dabei mittels einer hochreproduzierbaren Wechselschnittstelle eingewechselt werden können. Hierfür wird eine vakuumtaugliche Einrichtung zum verlustleistungslosen Halten der Tools entwickelt. Diese Toolhalteeinrichtung muss die Betriebskraft zum Halten des Tools, definiert durch Betrag, Richtung und Angriffspunkt am Tool, hochreproduzierbar aufbringen. Nur so kann die angestrebte hohe Reproduzierbarkeit der Toolposition erreicht werden. Die ausführliche Analyse der Aufgabenstellung und die anschließende Recherche zum Stand der Technik bilden die Basis für die Entwicklung der Toolhalteeinrichtung. Des Weiteren werden Berechnungen durchgeführt, um zulässige Toleranzen des Betrags und des Angriffspunkts der Betriebskraft unter vernachlässigbarem Einfluss auf die Reproduzierbarkeit der Toolposition zu definieren. Anschließend werden Lösungsprinzipe für die Teilfunktion "Erzeugen der Betriebskraft" ausgehend von physikalischen Effekten ermittelt. Auf der Grundlage einer mehrwertigen Bewertung wird das Lösungsprinzip "Zugfedern, Druckfedern" als Vorzugslösung ausgewählt. Das als Ergebnis der Konzeptphase erstellte konkretisierte Technische Prinzip wird konstruktiv umgesetzt. Die Kraftaufbringung erfolgt gemäß dem Konstruktionsprinzip "kurze Kraftleitung" über die drei Koppelstellen der Toolwechselschnittstelle mittels drei zylindrischer Schraubenzugfedern, deren Federkräfte für Tools mit unterschiedlichen Massen und Schwerpunktlagen unabhängig voneinander eingestellt werden können. Für den Toolwechsel werden die Federkräfte mittels eines Tauchspulenaktors aufgenommen. In nachfolgenden Arbeiten sind Versuche an einem Prototyp durchzuführen, um die Reproduzierbarkeit der Toolposition zu bestimmen.



Junginger, Tobias Felix;
Weiterentwicklung der Justiereinrichtung für hochreproduzierbare Tool-Wechselschnittstellen in Nanomessmaschinen. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Mittels kinematischer Kopplungen ist es theoretisch möglich zwei Objekte mit einer hohen Reproduzierbarkeit relativ zueinander zu positionieren. Aus diesem Grund finden sie eine weite Verbreitung in hochpräzisen Anwendungen. An der Technischen Universität Ilmenau sollen diese bei der Entwicklung einer Tool-Wechselschnittstelle für Nanofabrikationsmaschinen eingesetzt werden. Zum Ausgleich von fertigungs- und montagebedingten geometrischen Abweichungen, soll die kinematische Kopplung justierbar ausgeführt werden. Es ist eine unabhängige Justierung der Freiheiten zu realisieren. Die Justierung ist mindestens in den drei translatorischen Freiheiten zu ermöglichen. Zur Erfüllung dieser Anforderung, erfolgt eine kinematische Untersuchung der Kopplungen. Hierzu wird ein Algorithmus entwickelt, der den Zusammenhang zwischen der eingeleiteten Bewegung und der Justierbewegung in Abhängigkeit von der Geometrie der kinematischen Kopplung beschreibt. Untersucht werden sowohl Kelvin- als auch Maxwell-Anordnungen. Bei Anordnungen nach Maxwell werden die Orientierung und die Winkel der V-Nuten zueinander variiert und eine Analyse der Lage des Toolmittelpunkts durchgeführt. Die Berechnungen basieren auf einer analytischen Beschreibung des Gesamtsystems der kinematischen Kopplung unter Berücksichtigung der geometrischen Abhängigkeiten zwischen den V-Nuten. Die Auswertung erfolgt anhand des Verhältnisses der Bewegung in der zu justierenden Freiheit zu den nicht gewünschten parasitären Bewegungen in den verbleibenden Freiheiten. Es zeigt sich, dass eine unabhängige Justierung in x- und y-Richtung in der Koppelebene einer klassischen Maxwell-Anordnung möglich ist, wenn der Toolmittelpunkt direkt über dem Mittelpunkt einer Kugel liegt. Dabei tritt eine vernachlässigbare Rotation des Tools um z auf. Abschließend werden technische Prinzipe für die Funktionsgruppen Antriebsgetriebe, Führung der V-Nuten und Kurzschließen des Kraftkreises entwickelt und zu einem konkretisierten technischen Prinzip zur Realisierung der Justierung in der Koppelebene zusammengefügt. Zusätzlich wird eine Justierung in z-Richtung durch eine Änderung des Abstands der jeweils gegenüberliegenden V-Nut Hälften ermöglicht.



Xu, Yang;
Finite Elemente Modell zur Simulation des statischen und dynamischen mechanischen Verhaltens von Präzisionswägezellen. - Ilmenau. - 111 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die vorliegende Masterarbeit behandelt ein Finite Elemente Modell zur Simulation des statischen und dynamischen mechanischen Verhaltens von Präzisionswägezellen. Wägezellen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation sind hochempfindliche Kraftmessgeräte. Ein monolithisch aufgebauter Mechanismus mit konzentrierten Nachgiebigkeiten in Form von filigranen Festkörpergelenken bildet die mechanische Basis der Waage. Insbesondere für die transiente Analyse der Wägezelle ist ein effizientes Finite Elemente Modell zur Verringerung der Elementanzahl und zur Erhöhung der Lösungsgeschwindigkeit erforderlich. Im ersten Schritt wird das Modell eines einzelnen Festkörpergelenks untersucht, welches eine genaue Modellierung lediglich in der Kernzone der Dünnstelle vorsieht. Die mechanischen Eigenschaften dieses Signifikante-Region-Modells werden mit einem, die gesamte Geometrie umfassenden, Referenzmodell verglichen. Basierend auf dem Signifikante-Region-Modell des Einzelgelenks wird das Finite-Elemente-Modell der Wägezelle erstellt. Um die Richtigkeit abzusichern, wird ein Teilsystem der so modellierten Wägezelle mit einem analytischen Modell verglichen. Die statischen mechanischen Eigenschaften der Wägezelle werden daraufhin mit dem neuen Finite Elemente Modell ermittelt. Um das Modell weiter dem realen System anzunähern und die Simulation des transienten Verhaltens zu ermöglichen, wird ein Regler für die Wägezelle in ANSYS Mechanical implementiert. Die Überprüfung des geregelten Systems erfolgt zunächst am Beispiel eines einfachen mechanischen Pendels durch den Vergleich mit der analytisch berechneten Lösung in Matlab. Der Regler wird nachfolgend auf das Finite Elemente Modell der Wägezelle angewendet und das transiente Verhalten berechnet. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell stellt einen effizienten Modellierungsansatz für den nachgiebige Mechanismus einer Wägezelle dar. Auf Basis der erstellten Programme in ANSYS APDL kann ein großes Spektrum von Berechnungen an Wägezellen sowie an anderen nachgiebigen Mechanismen durchgeführt werden.



Schulze, Sven;
Aufbau, Inbetriebnahme und Test eines automatischen Greifers für feine Fasern. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Konventionell genutzte Messsysteme zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von feinen Fasern benötigen einen hohen Präparationsaufwand. Um diesen künftig zu vermeiden, wird an der Technischen Universität in Ilmenau ein neuer automatisierter Prüfstand für feine Fasern entwickelt. Ein Konzept für diesen Prüfstand wurde bereits in einer vorangegangenen Arbeit erstellt. Eine zentrale Einheit des Prüfstandes bildet dabei ein automatisiertes Greifsystem, welches eine möglichst beschädigungsarme Fixierung der Fasern während des Messprozesses realisieren soll. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Eignung des bereits entwickelten nachgiebigen Mechanismus des Greifers, im Hinblick auf den künftigen Prüfstand, getestet. Dazu werden zunächst die noch ausstehenden mechanischen und elektronischen Komponenten konstruiert, gefertigt und montiert. Anschließend wird eine Software zum Ansteuern des Greifers entwickelt, die eine Inbetriebnahme ermöglicht. Der Aufbau des Greifers und die entwickelten Hardware- und Softwarekomponenten sind in den ersten Kapiteln dieser Arbeit dokumentiert. Nach dem Aufbau des Greifers werden seine Eigenschaften in einigen Testreihen untersucht. Zu diesen zählen unter anderem die Bestimmung der Toleranzen der Greifkraft und die Ermittlung der charakteristischen Kennlinien des Greifers. Final wird die Eignung des Greifers in einem Zugversuch mit feinen Fasern überprüft. Durch die Erfahrungen aus dem Aufbau des Greifers und den gewonnenen Erkenntnissen aus den Versuchen, kann zielgerichtet ein Optimierungspotential abgeleitet werden. Gemeinsam mit alternativen Vorschlägen werden diese in einem abschließenden Kapitel festgehalten.