Studienabschlussarbeiten

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Pomiano Picon, Victor Arturo;
Adjustment of the relative position of compliant joints within a monolithic mechanism. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Die Empfindlichkeit von elektromagnetisch kraftkompensierten Wägezellen kann durch die Justierung des relativen Abstands zwischen zwei spezifischen Festkörpergelenken erhöht werden. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Justierung der Festkörpergelenkposition im nachgiebigen Mechanismus ist diese Justiermöglichkeit jedoch noch nicht realisiert. In dieser Masterarbeit wurde ein eine Justiereinrichtung entwickelt. Diese Justiereinrichtung kann in eine EMFC-Wägezelle integriert werden und ermöglicht eine Justierung während des Betriebs der Waage. Zu diesem Zweck wurde im Entwicklungsprozess die Richtlinie VDI 2221 angewendet, um mögliche Konzeptlösungen zu entwickeln. Die geeignetste Option wurde durch eine technisch-ökonomische Analyse ausgewählt. Die technische Realisierung des ausgewählten Lösungskonzepts wurde auf der Grundlage von Designrichtlinien und Modellgleichungen erarbeitet. Die Justiereinrichtung wurde so konzipiert, dass sie unter einer Zugkraft von bis zu 15 N arbeitet. Eine Finite-Elemente-Analyse wurde durchgeführt, um den Funktion der Justiereinrichtung zu bewerten. Diese Analyse demonstriert die Möglichkeit des Gerätes, das Festkörpergelenk in einen Verschiebungsbereich von 6 mm zu verschieben. Die numerische Analyse zeigt eine Winkelauslenkung bis 7.2 arcsec senkrecht zur Drehachse des justierten Gelenks. Basierend auf dem Originalmodell wurden Geometrievariationen bestimmter Komponenten untersucht, um Optimierungsmöglichkeiten zu identifizieren. Es wurde festgestellt, dass die Winkelverzerrung durch einen symmetrischeren Aufbau, insbesondere hinsichtlich der Linearführung, verringert werden kann.



Hebenstreit, Roman;
Entwicklung eines Prüfaufbaus zur Messung der Reproduzierbarkeit von Tool-Wechselmechanismen in Höchstpräzisionsgeräten. - Ilmenau. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Um die Reproduzierbarkeit von Tool-Wechselschnittstellen für den Einsatz in höchstpräzisen Nanopositionier- und Messmaschinen untersuchen zu können, wird ein Prüfstand konzipiert. Themennahe und relevante Forschungsergebnisse werden hierzu im Stand der Technik zusammengefasst und Ableitungen für die folgende Entwicklung getroffen. Der Prüfstand soll unter gleichen Bedingungen wie Nanopositionier- und Messmaschinen in einer klimatisch stabilisierten Vakuumkammer betrieben werden. Alle zu berücksichtigenden Forderungen werden in einer Anforderungsliste zusammengeführt. Anschließend wird eine umfangreiche Vorbetrachtung zu potentiell geeigneten Messmitteln durchgeführt. Die Möglichkeiten eines autarken und eines in eine Nanopositionier- und Messmaschine integrierten Prüfstandes werden gegenübergestellt. Hieraus geht hervor, dass das Konzept eines autarken Aufbaus verfolgt wird. Die vorausgewählten Messmittel werden daraufhin zu Technischen Prinzipen eines solchen Prüfstandes kombiniert, der es ermöglicht, fünf unabhängige Freiheiten der relativen Lage zwischen zwei gekoppelten Körpern zu bestimmen. Hierbei werden alle drei translatorischen Freiheiten, sowie die Rotationen um die x- und y-Achse erfasst. Die entwickelten Prinzipe werden anhand von objektiven Vergleichskriterien bewertet. Als bestes Prinzip geht ein Aufbau mit fünf kapazitiven Abstandssensoren hervor. Dieser wird zu einem Konkretisierten Technischen Prinzip weiterentwickelt. Um die Funktionsfähigkeit des Prüfstands vorab zu validieren, wird eine Messunsicherheitsanalyse basierend auf dem Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen (GUM) durchgeführt. Dabei werden zwei Varianten der Anordnungen der gewählten Sensoren modelliert, sowie die Werte der angenommenen Einflussgrößen und deren Unsicherheit variiert. Als zulässige Unsicherheit werden für die translatorischen Freiheiten 10 nm und für die rotatorischen Freiheiten 0,02 [my]rad angenommen. Die Unsicherheitsanalyse ergibt, dass die Anforderungen an die Gesamtmessunsicherheit des Prüfstandes erfüllt werden, wenn entsprechend geringe Unsicherheiten bei der Bestimmung der Einflussgrößen gewährleistet werden können. Hierbei haben die Lageunsicherheiten der Sensoren einen dominanten Einfluss auf die Gesamtunsicherheit. Werden die Lagen beispielsweise mit einer translatorischen Unsicherheit von 1 [my]m und einer rotatorischen Unsicherheit von 5 [my]rad erfasst, so sind mit dem entwickelten Prüfstand eine translatorische Gesamtunsicherheit von 3 nm und bei der Messung rotatorischer Freiheiten, Unsicherheiten von 5 [my]rad zu erreichen. Abschließend werden Gestaltungsempfehlungen als Grundlage für die zukünftigen konstruktive Umsetzung des Prüfstandes abgeleitet.



Zweier, Johannes;
Konstruktive Umsetzung eines elektromechanischen Antriebs für Schiebereinheiten von Spritzgusswerkzeugen. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

In der Spritzgusstechnik werden linear bewegliche Schieber zur Entformung von Hinterschneidungen und Integration weiterer Funktionsschritte in den Spritzgussprozess eingesetzt. Die Bewegungserzeugung erfolgt nach derzeitigem Stand der Technik durch Hydraulikzylinder. Ziel dieser Arbeit ist es, mit einem elektromechanischen Antrieb eine Alternative zur hydraulischen Betätigung zu entwickeln und damit Innovationen im Bereich der Spritzgusstechnik weiter voran zu treiben. Durch das Aufbringen der auf den Schieber wirkenden Kräfte mit dem elektrischen Antrieb, wird über die Stromaufnahme der Werkzeuginnendruck ermittelt. Dadurch lässt sich ohne zusätzliche Sensorik eine Datenaufzeichnung und Qualitätsüberwachung erreichen, was eine Erweiterung des Stands der Technik darstellt. Um den Antrieb für verschiedene Werkzeuge einsetzen zu können, werden im Rahmen dieser Arbeit zunächst die Anforderungen für einen sinnvollen Anwendungsbereich definiert. Im Zuge des konstruktiven Entwicklungsprozesses wird ein geeignetes Konzept sowie der technische Entwurf des elektromechanischen Antriebs erarbeitet. Durch eine kritische Betrachtung des Ergebnisses werden Erkenntnisse über die Eignung und Grenzen des entwickelten Antriebs gewonnen. Dabei wird ersichtlich, dass die erarbeitete Konstruktion die definierten technischen Festanforderungen des Anwendungsbereichs erfüllt. Allerdings sollte bei einer fortführenden Entwicklung in Betracht gezogen werden, den Anwendungsbereich aufzuteilen da der entwickelte Antrieb für viele Anwendungen überdimensioniert ist.



Lukin, Nikolay;
Beleuchtungseinheit für die Herstellung von Druckschablonen. - Ilmenau. - 66 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

Diese Arbeit behandelt die Entwicklung einer LED-basierten Beleuchtungseinheit zum Einsatz in der Herstellung von Siebdruckschablonen. In diesem Verfahren werden fotoreaktive Substanzen auf Trägermaterialien mittels digitalem Bildgebungsverfahren strukturiert. Als Lichtquellen kommen aktuell vornehmlich Quecksilberdampflampen mit einem charakteristischen Strahlungsspektrum u.a. im nahen UV-Bereich zum Einsatz. Diese Lampen sind aufgrund ihrer Bestandteile als umweltkritisch zu bewerten. Der aktuelle Entwicklungsstand in der Hochleistungs-LED-Technik ermöglicht es, die Quecksilberdampflampe als Strahlungsquelle im betreffenden Verfahren zu ersetzen. Verfügbare LEDs besitzen als Einzelkomponenten jedoch weder in Ausgangsstrahlungsleistung noch im Wellenlängenspektrum die erforderlichen Eigenschaften. Diese Arbeit verfolgt daher den Ansatz, durch Kombination mehrerer HochleistungsLEDs eine neuartige Beleuchtungseinheit zu generieren, die ein funktionelles Äquivalent zur Quecksilberdampflampe darstellt. In einer Konzeptphase werden Möglichkeiten zur kombinierten Verwendung von LED ermittelt und bewertet. Im Anschluss wurde das vielversprechendste Konzept mittels vollständigem, konstruktivem Entwicklungsprozess in einer Prototypenkonstruktion umgesetzt. Dabei wurden für charakteristische Bestandteile des Gesamtsystems konstruktive Lösungsvarianten ermittelt und vergleichend gegenübergestellt. Als besondere Randbedingungen wurden die Vorgaben der Anschlussgeometrien, des Optikdesigns, des Bauraums und der zu erwartenden thermischen Belastung der Komponenten berücksichtigt. Die Arbeit bildet die direkte Vorlage für die Prototypenfertigung und einen anschließenden Funktionstest.



Keck, Lorenz;
Miniaturgreifersystem für feine Fasern. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

Zum Zwecke der Erfassung verschiedener mechanischer Eigenschaften von feinen Einzelfasern soll ein Messaufbau verwendet werden, der prinzipiell auf der Basis eines neuartigen Mehrkomponentenkraftmesssystems aufgebaut ist. Um die gesamte Messung mit den hohen Anforderungen an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Fasereinspannung, sowie an Automatisierungsgrad und Durchsatz des gesamten Messsystems realisieren zu können, wird im Rahmen dieser Arbeit ein geeignetes Gerät zur Handhabung der Fasern während des Messprozesses entwickelt. Im Vordergrund stehen hierbei - mit Blick auf die konstruktive Umsetzung - neben der Reduzierung der Flächenpressung auf die Faser durch eine geeignete Einspannmethode auch stark einschränkende Bauraum- und Gewichtsbedingungen für die Gestalt des Greifers. Unter gedanklicher Einbindung der Schnittstellen des Greifersystems in den gesamten Messaufbau wird in der Konzeptphase nach Möglichkeiten gesucht, um die geforderte Funktionalität einfach umsetzen zu können. Hieraus ergibt sich nach einer anschließenden mehrstufigen Bewertung einzelner Prinzipentscheidungen eine Vorzugslösungsvariante, die konstruktiv konkretisiert wird. Diese gewählte Lösung umfasst ein vollautomatisiertes Miniaturgreifersystem mit einer hochreproduzierbaren Kinematik und einen durch die Aktuierung sensitiv variabel einstellbaren Kraftbereich für verschiedene Greifobjektbeschaffenheiten.



Schulze, Sven;
Konzeption und Konstruktion eines optomechatronischen Systems zur Qualitätssicherung von Kapillaren in der Thermometerfertigung. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

Die Thermometerherstellung hat in Thüringen lange Tradition. Noch heute werden Ausdehnungsfieberthermometer nach dem Prinzip von Daniel Gabriel Fahrenheit gefertigt. Für die Herstellung der Thermometer wird vor allem Glas verwendet, das während der Produktion häufig einen Phasenübergang zwischen festen und flüssigen Zustand erfährt. Aufgrund dessen kommt es zu Abweichungen in Größe und Form der Thermometer, welche die Funktionsweise beeinträchtigen. In dieser Arbeit wird zunächst der Produktionsprozess analysiert, um die Ursachen dieser Abweichungen zu erkennen. Dabei wird festgestellt, dass die Einführung eines neuen Messsystems zur Bestimmung einer kapillaren Querschnittsfläche die Anzahl der Fehlteile reduzieren könnte. Daher wurden einige Messprinzipe konzipiert, die eine automatisierte 100%-Messung gewährleisten. Das vielversprechendste Messprinzip, welches auf einem optischen Prinzip beruht, wurde in einem Versuchsaufbau auf seine Tauglichkeit untersucht. Auf dieser Grundlage konnte eine Prognose über das Ausschussverhalten nach Einführung des neuen Messystems erstellt werden. Hierbei wurden die positiven Folgen erkannt, da sich der Ausschuss des betrachteten Anteils um den Faktor 50 verringern würde. Im Anschluss folgen erste technische Prinzipe des gesamten Systems. Neben der Bestimmung der Querschnittsfläche der Kapillare wird zudem ein notwendiger Zuschneideprozess und eine Qualitätskontrolle, die weitere funktionale Merkmale der Kapillare überwacht, in das System integriert. Das Ergebnis dieser Arbeit bildet ein konkretisiertes technisches Prinzip.



Jorda, Paul David;
Systematische Untersuchung von ultrapräzisen rotatorischen Positioniersystemen in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Lösungsmöglichkeiten für die Integration von ultrapräzisen Rotationen in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. Diese sollen Alternativen zu den Konzepten bisheriger Arbeiten darstellen. Die alternativen Lösungsmöglichkeiten sind weiterhin hinsichtlich ihrer Einflussparametern auf bestehende Maschinen zu untersuchen. Nach einer Analyse des Stands der Technik werden Integrationskonzepte, basierend auf drei möglichen Hauptstrukturen, systematisch erarbeitet, variiert und analysiert. Die Hauptstrukturen des Gesamtsystems stellen die Toolrotation, die Objektrotation und die kombinierten Rotation dar. Hierzu werden bestehende Konzepte der Toolrotation von [Wei17] einbezogen. Bei der Variation werden die Anordnungen der Rotationsachsen zueinander sowie im Raum systematisch variiert. Die hierdurch entstehenden Prinzipe werden mittels einer mehrwertigen Bewertung evaluiert. Um die Systematik auch für die generelle Evaluierung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen zu verwenden, sind die Bewertungskriterien allgemeingültig formuliert. Die, für die in Ilmenau entwickelten Maschinen NMM1 und NPMM-200, als zielführend identifizierten Varianten werden einer Bauraumanalyse unterzogen und anschließend in das entsprechende Zielsystem integriert. Dazu werden digitale Demonstrationsmodelle angefertigt, welche die Beziehungen zwischen Maschinen- und Rotationskomponenten darstellen. Mit den Demonstrationsmodellen lassen sich Einflussparameter für die Integration der Prinzipe in die Maschinen untersuchen. Anhand einer Gegenüberstellung der Prinzipe hinsichtlich ihrer Einflussparameter lässt sich feststellen, welche Prinzipe für den Einsatz in der jeweiligen Maschine geeignet sind. Für die NMM1 wird eines dieser Prinzipe konstruktiv detailliert. Das ausgewählte Prinzip besitzt einen Rotationstisch, welcher das zu vermessende Objekt um die z-Achse dreht, und ein Goniometer, das das Tool zur z-Achse neigt. Somit lässt sich eine vollständige Hemisphäre normal zur Oberfläche adressieren. Ein wichtiger Aspekt für eine nanometergenaue Positionierung ist die Bestimmung von Positionsabweichungen der Systeme. Dafür wird im Rahmen der Konstruktion ein Konzept erarbeitet, welches In-situ-Messungen translatorischer und rotatorischer Abweichungen ermöglicht. Erkenntnisse dieser Arbeit werden zu allgemeinen Konstruktionsrichtlinien überführt, die eine Grundlage für weitere Arbeiten darstellen.



Hanekopf, Maximilian;
Integration eines Rotationssystems für Tastsysteme in die Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Die an der TU Ilmenau entwickelte Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NMM-1) auf Basis eines kartesisch aufgebauten Positioniersystems ermöglicht das Positionieren von Objekten in einem Volumen von 25mm x 25mm x 5mm mit Nanometerpräzision. Die Erweiterung der kinematischen Freiheit durch zusätzliche Rotationen ermöglicht den Zugang zu komplexen Geometrien und Freiformflächen. Im Rahmen dieser Untersuchung wird die konstruktive Implementierung eines zweiachsigen Rotationssystems mit einem gemeinsamen Rotationszentrum zur Positionierung eines Tools in der NMM-1 durchgeführt. Es werden Rotationselemente so integriert und kombiniert, dass ohne Änderung des grundlegenden Messprinzips der NMM-1 Adressierungen normal zu einer Hemisphäre möglich sind. Hierzu werden unterschiedliche Anordnungen der Rotationskomponenten, die notwendigen Justageschritte der Komponenten zueinander und notwendige Koppelstellen bewertet und konstruktiv umgesetzt. Zudem wird die Integration eines Reflektors untersucht, der in Kombination mit den bereits in der NMM-1 vorhandenen Interferometern das Ausrichten des Rotationssystems ermöglicht.



García Ayala, Braulio Jesús;
Experimental setup for measuring the mechanical behavior of loaded thin compliant joints with highest precision. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken bestimmen die Leistungsfähigkeit von vielen Präzisionsgeräten in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Die präzise Modellierung der mechanischen Eigenschaften ist dabei eine entscheidende Grundlage für die Verbesserung deren Leistungsfähigkeit. Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit trägt zur experimentellen Verifikation verschiedener mechanischer Modelle dünner Festkörpergelenke mit Halbkreiskontur bei. Zu diesem Zweck wurde ein experimenteller Aufbau für die präzise Lasteinleitung auf das Festkörpergelenk entworfen und eingerichtet. Das Gerät ist zur präzisen Bestimmung der Drehsteifigkeit dünner Festkörpergelenke in ihrem elastischen Bereich mit einer minimalen Kerbenhöhe von 50, 75 und 100 Mikrometer bestimmt, kann aber darüber hinaus auch zur hochgenauen Lastaufbringung für weitere Anwendungen eingesetzt werden. Es wurden zwei Sätze von Gelenken analysiert, die in verschiedenen Firmen durch Drahterodieren hergestellt wurden. Obwohl beide Gruppen mit den gleichen geometrischen Abmessungen gefertigt wurden ergaben sich große Steifigkeitsabweichungen. Es zeigte sich, dass die Herstellung einen großen Einfluss auf die Steifigkeit der Gelenke hat, da sie die resultierende Geometrie im mikroskopischen Maßstab beeinflusst. Die zu erwartende thermische Beeinflussung und Gefügeänderung des Werkstoffes bleiben zunächtst unberücksichtigt. Die experimentellen Ergebnisse sind für einen Festkörpergelenksatz in guter Übereinstimmung mit den Berechnungen unter Nutzung der Finite Elemente Methode. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um diese Tendenz zu bestätigen. Damit wäre ein solider Nachweis gegeben, dass die existierenden analytischen Ansätze zur Berechnung der Steifigkeit für den betrachteten Dickenbereich der Gelenke nicht mehr zutreffend sind.



Flemming, Marc;
Konzeption und Konstruktion eines optomechatronischen Systems zur automatischen Fehlerdetektion optischer Bauteile. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018

Diese wissenschaftliche Arbeit dient der Aufarbeitung aktueller Prüfverfahren optischer Bauteile in Großserienfertigung. Derzeitige Verfahren umfassen eine visuelle Inspektion aller gefertigten Bauelemente durch qualifizierte Prüfkräfte, wodurch diese weder den geforderten Ansprüchen an die Entscheidungssicherheit genügen, noch bei den kontinuierlich steigenden Stückzahlen langfristig wirtschaftlich sinnvoll umsetzbar sind. Die Entwicklung einer Prüfvorrichtung zur Erkennung und Messung aller spezifizierten Defekte stellt eine Erweiterung des Standes der Technik dar. Auf der Grundlage eines Optikdesigns, welches im Vorlauf zu dieser Arbeit entworfen und durch umfangreiche Versuche erprobt wurde, entsteht mithilfe des Konstruktiven Entwicklungsprozesses ein fertigungstaugliches Konzept sowie ein konstruktiver Entwurf, der einen Beitrag für die weitere Entwicklung eines vollautomatisierten Prüfplatzes mit Prüflingshandling liefert.