Studienabschlussarbeiten

Mit dieser Arbeit sollen weitere Grundlagen für die Entwicklung eines neuen Lagerkonzeptes zur Lagerung großer Rotoren in Windkraftanlagen gelegt werden. Bestehende Konzepte zur Nutzung hydrodynamischer Gleitlager sehen typischerweise die Verwendung einer segmentierten Bauweise vor. Jedes Segment, auch als Kippsegment oder Gleitlager-Pad bezeichnet, besteht aus einem Stahlstützkörper, der mit einer hochbelastbaren Gleitschicht aus dem Kunststoff PEEK versehen ist. In der Arbeit werden zwei wesentliche Aspekte näher betrachtet. Zunächst ist die Langzeitbeständigkeit der Verbindung von Stahl und Kunststoff von größtem Interesse. Im Rahmen von Vorarbeiten wurde eine neuartige formschlüssige Verbindung entwickelt, patentiert und erste Validierungsschritte begonnen. Darauf aufbauend ist es Ziel der Arbeit, weitere und umfangreichere mechanisch-dynamische Prüfungen durchzuführen und die grundlegende Eignung für die Anwendung nachzuweisen oder zu widerlegen. Als Prüfmethoden kommen hier verschiedene Haftfestigkeits-Tests mit und ohne Vorbeanspruchung zum Einsatz. Der zweite wichtige Aspekt betrifft die Auswahl des PEEK-Compounds. Es existieren eine Reihe marktverfügbarer Typen, die sich in der Zusammensetzung stark unterscheiden. Daher werden im Rahmen der Arbeit erste Untersuchungen zum tribologischen Verhalten drei verschiedener Materialien durchgeführt und die Unterschiede unter Ölschmierung bewertet. Dabei wird ein Stift-Scheibe-Tribometer unter geringer Gleitgeschwindigkeit eingesetzt.

Die SCHOTT Technical Glass Solutions GmbH fertigt an ihrem Standort Jena Coververglasungen für Smartphones. Das Streben Produkte aller höchster Qualität anzubieten, führt zu einer stetigen Weiterentwicklung der chemischen Zusammensetzung und der Nachbearbeitungsverfahren der Gläser. Im Ergebnis werden die Coververglasungen immer widerstandsfähiger gegen Stürze. Der Fortschritt in der Haltbarkeit der Gläser führt gleichzeitig zu steigenden Anforderungen an deren Prüfung. Die bisher am Standort verwendete Set-Drop(Falltest)-Prüfvorrichtung stößt an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit, sodass der Bedarf nach einem neuen Teststand entsteht. Das Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Konzeption und Konstruktion einer neuen Prüfvorrichtung für Displaygläser. Ausgehend von den bisher im betreuenden Unternehmen durchgeführten Prüfungen wurden Anforderungen an den Prüfprozess und an den Prüfaufbau erarbeitet. Während der systematischen Entwicklung werden zunächst die relevanten Funktionen definiert, für welche anschließend Lösungsprinzipe erarbeitet wurden. Auf dieser Grundlage wurden systematisch drei neue Konzepte, die den definierten Anforderungen genügen, erstellt. Um eine Entscheidung für ein Vorzugskonzept herbeizuführen, wurden Bewertungskriterien auf Grundlage der Anforderungen erarbeitet. Zur Unterstützung der Entscheidungsfindung wurden Messungen mit Hilfe eines eigens angefertigten Demonstrators durchgeführt. Nach der Bewertung der konzeptionellen Lösungen wurde ein Pendelschlagwerk mechanisch ausgelegt und konstruktiv umgesetzt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse erfolgte die Fertigung und Inbetriebnahme der neuen Prüfvorrichtung. Abschließend wurden erste Versuche mit dem erstellten Prototyp durchgeführt und es erfolgte eine Bewertung auf Grundlage der zu Beginn definierten Anforderungen.

Mobile Roboter werden bereits in vielen industriellen Bereichen eingesetzt. Auch im häuslichen Umfeld finden sie zunehmend Anwendung. Hier ergeben sich jedoch gänzlich andere Anforderungen bezüglich der Gesamtabmessungen, Masse und Manövrierbarkeit, was die Entwicklung neuartiger Roboterplattformen nötig macht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem methodischen Entwurf und der Konstruktion eines mobilen Assistenzroboters für den häuslichen Einsatz. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der Untersuchung, Auswahl und Dimensionierung des Fahrgestells, der Radführung und des Rahmens zur Aufnahme der Hardwarekomponenten, mit dem Ziel der Gewichts- und Kostenminimierung. Einleitend werden im Stand der Forschung und Technik die Einsatzgebiete und Antriebskonzepte mobiler Roboter vorgestellt. Es folgt die Aufarbeitung der Anforderungen im häuslichen Umfeld. Für die einzelnen Systemkomponenten wird eine Reihe von Prinzipen erarbeitet, verglichen und ausgewählt. Insbesondere dreirädrige und sechsrädrige Antriebskonzepte werden anhand von Auslegungsrechnungen hinsichtlich ihrer Gesamtabmessungen, Kippstabilität und Manövrierbarkeit gegenübergestellt. Auf Basis der ausgewählten Prinzipe erfolgt der Gestaltentwurf des Roboters. Funktionsentscheidende Baugruppen werden mithilfe von Dimensionierungsrechnungen unter Anwendung einer Topologieoptimierung in ihrem Gewicht reduziert. Die erarbeiteten Baugruppen werden den gestellten Anforderungen gerecht und bilden eine ausgereifte Grundlage für eine Reihe verschiedener Roboterplattformen.

Rostfeuerungen finden Anwendung bei der Erzeugung von Prozesswärme für die Industrie, zur kommunalen Wärmeversorgung und zu der Verwertung von Abfällen und anderen festen, stückigen Reststoffen. Bewegliche Rostfeuerungen ermöglichen den Transport, die Durchmischung des brennenden Gutes und den Abtransport der Asche aus dem Feuerraum. Die entstehende Wärme wird mittels des Rauchgases Wärmetauschern zugeführt und zur beispielsweise Dampferzeugung genutzt. Das Thema dieser Arbeit ist, unterschiedliche Bewegungskonzepte für Rostfeuerungen zu analysieren und zu entwickeln, um Brennstoffe wie Holz, andere biogene Brennstoffe und Abfälle auf dem Weg durch den Feuerraum zu durchmischen und somit gleichmäßig zu verbrennen. Auf Basis dieser Ergebnisse sollen Lösungen auf Konzept- und Gestaltebene erarbeitet werden.

Mechanismen finden sich in zahlreichen Bereichen des Maschinenbaus. Für die Gestaltung von Mechanismen sind neben den grundlegenden Funktionen der Bewegungs- und Kraftübertragung weiterer Eigenschaften von Bedeutung. Zu diesen Eigenschaften zählen unter anderem die Steifigkeit und Masse der Mechanismenglieder. Bestehende Verfahren der Topologieoptimierung ermöglichen diesbezüglich eine zielgerichtete Unterstützung bei der Gestaltung. Bisherige Ansätze vernachlässigen jedoch zumeist mögliche Kollisionen zwischen den Mechanismengliedern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Konzepten zur Topologieoptimierung von Mechanismengliedern unter Vermeidung von Kollisionen. Aufbauen auf der Analyse bestehender Arbeiten, werden nötige Teilfunktionen und Ansätze für das zu erarbeitende Lösungskonzept ermittelt. Diese dienen zur Erarbeitung, Systematisierung und Bewertung möglicher Konzepte. Im Hauptteil der Arbeit werden anschließend die Teilfunktionen eines ausgewählten Optimierungskonzeptes erarbeitet und implementiert. Kernbestandteil des ausgewählten Konzeptes ist die kollisionsfreie Aufteilung des zur Verfügung stehenden Bauraums für die Topologieoptimierung der einzelnen Glieder. Diese beinhaltet die Diskretisierung des Bauraums, die Verarbeitung der Relativbewegungen der Glieder, heuristische Verfahren zur Kollisionsvermeidung sowie die Aufbereitung der Daten für die Topologieoptimierung. Anhand von ausgewählten Fallbeispielen wird das Gesamtkonzept bestehend aus kinematischer Analyse, Bauraumaufteilung und Topologieoptimierung validiert. Das erarbeitete Vorgehen ermöglicht die Topologieoptimierung von Gliedern ebener Mechanismen für eine Vielzahl möglicher Zielfunktionen und Optimierungsverfahren. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick mögliche Weiterentwicklungen gegeben.