Studienabschlussarbeiten

Die Ableitung bioelektrischer Signale vom Kopf, insbesondere des EEGs, bietet zahlreiche Anwendungen in der medizinischen Diagnostik und dient der Erkenntnisgewinnung in der Hirnforschung. In der Erwartung verbesserter Ergebnisse durch höhere örtliche Auflösung und geringere Vorbereitungszeit, zielt diese Arbeit langfristig auf die Entwicklung einer neuartigen Vorrichtung zur EEG-Ableitung mit trockenen Elektroden ab. - In dieser Arbeit wurde eine Lösungsmöglichkeit einer derartigen Ableitvorrichtung konzipiert und in einem prototypischen Modul umgesetzt. - Zur Lösungsfindung wurde zunächst der Stand der Technik recherchiert und die Aufgabe in Forderungen konkretisiert. Unter Anwendung des Konstruktiven Entwicklungsprozesses (KEP) wurden aus den Forderungen Teilaufgaben abstrahiert und Lösungen für diese klassifiziert zusammengetragen. Aus den Teillösungen wurden dann diverse Konzepte synthetisiert. Anhand von Bewertungskriterien wurde eines von diesen zur Weiterentwicklung bestimmt. Das gewählte Konzept verbandt dabei die Verteilung der Elektroden durch ein elastisches, geodätisches Silikonnetzwerk mit der Aufbringung der Elektroden durch lineare nachgiebige pneumatische Silikonaktoren. Bei der Festlegung konstruktiver Details und zur Dimensionierung der Lösung wurde die Durchführung einiger Versuche zur Betrachtung der Machbarkeit oder als Berechnungsgrundlage notwendig. - Die Signalqualtität der verwendeten Elektroden wurde bei verschiedenen Drücken untersucht, wobei in den Amplituden und im Frequenzbereich keine Abhängigkeit vom Andruck festgestellt wurde. % einbettung draht - Qualitative Versuche zur Einbettung von Draht in Silikon zeigten Probleme in der Fertigung und im Einsatz auf. Durch Zugversuche konnten Mooney-Rivlin-Parameter für die verwendeten Silikone bestimmt werden. FE-Simulationen auf Basis dieser Parameter zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Versuchen. Für eine Silikon-Silikon-Paarung wurde experimentell ein Reibkoeffizient bestimmt. Mit Hilfe von FE-Methoden wurde eine lösbare Verbindung für die pneumatischen Aktoren simuliert und ausgelegt. - Durch die theoretische Beschreibung mit einem einfachen mathematischen Modell des Konzeptes konnte eine erweiterbare Methodik zur Auslegung der Ableitvorrichtung entwickelt werden. - Für die Herstellung des entwickelten Moduls mit dem Pressheizverfahren wurden Formwerkzeuge entworfen, konstruiert und gefertigt. Mit Hilfe dieser Formwerkzeuge konnten mehrere Module hergestellt werden. Die mechanische Funktionsfähigkeit der Module wurde erfolgreich getestet. Die erste Testmessung eines EEG, wenngleich mit unvollständiger elektronischer Modulausstattung, schlug fehl.

Im Rahmen dieser Arbeit war das Schwingverhalten von Maschinen in Abhängigkeit von den Aufstellungsbedingungen zu untersuchen. Als wesentliche Aufstellungsbedingungen sind dabei die Aufstellelemente (z.B. Maschinenfüße) und der Aufstellungsort zu betrachten. Zunächst erfolgten grundlegende Betrachtungen von Maschinen- und Gebäudeschwingungen mit den entsprechenden Einflussparametern. Anschließend wurden für eine Materialprüfmaschine und einen Schwingerreger Mehrkörpersystem - Modelle (MKS) erstellt. Dabei wurden neben Gelenken und starren Körpern auch vordefinierte räumliche Gelenkbalken verwendet. Diese Modelle wurden um Elemente der Aufstellungsbedingungen erweitert, wobei als Aufstellungsort ein Fundamentblock angenommen wurde. Die Erstellung dieser Modelle und die Simulation erfolgten mit der Simulationssoftware alaska 5.0. Durch Variation der Aufstellungsparameter konnten die Eigenfrequenzen des Gesamtsystems aus Maschine und Aufstellung verschoben und unterschiedliche Schwingungsdämpfungen erzielt werden. - Um die Qualität der Simulationsergebnisse abschätzen zu können, wurden an einer der simulierten Maschinen Schwingungsmessungen bei verschiedenen Aufstellungsvariationen durchgeführt und Vergleiche zwischen den Simulations- und Messergebnissen gezogen. - Bei den Betrachtungen wurde eine Beschränkung auf Schwingungen in Vertikalrichtung vorgenommen. - Im Ergebnis dieser Arbeit konnte festgestellt werden, dass durch günstige Wahl der Aufstellelemente die besseren Schwingungsdämpfungen in niedrigen Frequenzbereichen erzielt werden konnten. Wird eine Erhöhung der Eigenfrequenzen des Gesamtsystems angestrebt, so kann durch den Aufstellungsort eine Versteifung des Gesamtsystems erreicht werden. Der Vergleich von Simulations- und Messergebnissen zeigte, dass die Modelle eine hinreichende Nachbildung der Realität darstellten und es somit zuließen Aussagen über das wahrscheinliche Schwingungsverhalten bei veränderten Aufstellungsbedingungen zu treffen.

Forschungsgegenstand dieser Arbeit ist die Abbildung einer concertina motion mittels der Methode der Finiten Elemente. In experimentellen Vorarbeiten wurde hierzu das Verhalten einer zylinderförmigen, wurmartigen Struktur aus einem Ferrofluid, umgeben von einer silikonartigen Hülle untersucht. Diese Struktur befindet sich in einem Kanal, ober- und unterhalb des Kanals sind äquidistant Spulen angebracht. Durch gezielte Ansteuerung der Spulen bewegt sich die Struktur analog einer concertina motion. Die Kraftwirkung auf den Wurm ist bereits in weiteren Arbeiten sowohl mittels FEM, als auch durch analytische Gleichungen untersucht worden. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die in der Simulation eingesetzten Kraftdaten. Das entwickelte FEM-Modell zeigt nur eine geringe Abweichung zu den experimentellen Daten. Die Bewegung der Struktur lässt sich hierbei als lineare Funktion, überlagert von einer sinusförmigen Welle beschreiben. Neben der Modellerstellung wurde auch in einer Parameterstudie die Abhängigkeit der Bewegungsfunktion von Parametern wie Wurmdurchmesser, Kanaldurchmesser, Reibwert zwischen Wurm und Wandung sowie der Wurmsteifigkeit untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit des Wurmes exponentiell von der Reibung zwischen Wurmgeometrie und Kanalwandung abhängt.

Aufbau eines Simulationsmodells eines flexiblen Greifers mit unterschiedlichen Modellierungsansätzen: - vollständiger FEM-Ansatz - Ansatz über modale Reduktion. - Durchführung einer Parameterstudie. - Darlegung von eventuellen Verbesserungsvorschlägen

Ferrofluide sind Suspensionen von ferromagnetischen Partikeln in Trägerflüssigkeiten mit einem mittleren Durchmesser von maximal 10 nm. Aus diesem Grund besitzen Ferrofluide paramagnetische und rheologische Eigenschaften. Unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes reagiert die Flüssigkeit mit starken Form- und Lageänderungen. Die aktuelle Forschung beschäftigt sich damit Ferrofluide für lokomotive Aufgaben einzusetzen. Diese Arbeit befasst sich vorwiegend experimentell mit der Erzeugung und Bestimmung der Kraft pro Fläche (Druck), die vom Ferrofluid unter Einfluss eines Magneten erzeugt wird. Die vertikal wirkende Druckkomponente hat im Rahmen der geplanten Lokomotionsaufgabe die Funktion den Körper an der Ferrofluidoberfläche zu halten. Die horizontal wirkende Druckkomponente stellt die für den Vortrieb nötige Kraft zur Verfügung. Ziel ist die zweidimensionale Fortbewegung nichtmagnetischer Körper. In Hinblick auf die Zielstellung wurden anhand von statischen Messungen allgemein gültige Einflussfaktoren der vertikal wirksamen Druckkomponente und anschließend mittels dynamischer Messungen die vertikal und horizontal wirkenden Druckkomponenten untersucht. Es zeigte sich, dass der vertikale Ferrofluiddruck, von der Anregungsstärke der Elektromagneten, vom Abstand zum Magneten, von der Position innerhalb des Versuchsbeckens und von der Anzahl der gleichzeitig aktivierten Elektromagneten abhängig ist. Der maximal erzielbare vertikale Druck liegt im Bereich von 1000 bis 6000 Pa und ist damit verhältnismäßig gering. Das macht die Anwendung nur für sehr leichte Körper geeignet. Als Problemstellung zeigt sich, dass der Druckunterschied zwischen einer Position über einem Magneten und einer Position zwischen zwei Magneten gravierend ist. Dieses Phänomen ist umso stärker, je höher die magnetische Feldstärke ist. In einer Möglichkeitsstudie zur lokalen Druckerhöhung, wurde nachgewiesen, dass ein kombinierter Einsatz von Permanent- und Elektromagneten in Abhängigkeit von der Polarisation zwischen den Magnettypen und den Magnetpositionen räumlich eng begrenzt hohe Drucksteigerungen oder so genannte Druckkorridore zwischen Magnetpositionen erzielen kann. Im dynamischen Zustand können vertikal und horizontal wirkende Druckverteilungen in Abhängigkeit von den verwandten Anregungsspannungssignalen (trapez- oder rechteckförmig) der Elektromagnete und bei hinreichend kurzer Verzugszeit zwischen den Einzelspulenanregungen realisiert werden, die gleichmäßigen oder schubweise durchgehenden Transport ermöglichen. Für beide Druckkomponenten besteht eine Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der sich die Ferrofluidwelle fortsetzt. Der vertikale Trag- oder Hubdruck ist um ein Zehnfaches höher als der horizontale Schubdruck.