Entwicklung eines 3D-Bahnplaners für Direct-Laser-Writing auf einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die traditionelle Lithografie erfordert die Herstellung oder den Kauf von Masken und den Einsatz von Steppern oder Maskenausrichtern, um das CAD-Muster auf einen mit Resist beschichteten Wafer zu übertragen. Es gibt jedoch noch eine andere Lithografietechnik, die sich für viele andere Anwendungen anbietet, nämlich die maskenlose Lithografie. Diese hochmoderne, schnelle, hochpräzise und besonders vielseitige Technik ist ideal für den Einsatz in der Forschung und Entwicklung oder im Prototyping. Für die Integration der Lithographie auf der Nanopositionier- und Nanomessmaschine(NPMM) wird in dieser Arbeit ein Trajektorienalgorithmus verwendet und optimiert, der die Steuerung der Laserdosis und der Geschwindigkeit der einzelnen Trajektoriensegmente ermöglicht. Dabei wird von einer Punkt-zu-Punkt-Bewegung eine kontinuierliche Bewegung im dreidimensionalen Raum erreicht. Darüber hinaus wurden zwei speziell für die Lithografie optimierte Schleifmethoden entworfen, um sowohl die kinematische Leistung als auch die lithografische Leistung zu verbessern. Schließlich wurde eine benutzerfreundliche Code-Umwandlungssoftware entwickelt und die Trajektorienberechnungssoftware optimiert, um eine bessere Interaktion zwischen Mensch und Computer zu ermöglichen.
Entwicklung und Untersuchung eines neuartigen, gestaltoptimierten Magnetsystems. - Ilmenau. - 148 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues Magnetsystem entwickelt und untersucht. Gemäß den VDI-Richtlinien und der Konstruktionslehre erfolgt der Entwicklungsprozess des gestaltoptimierten Magnetsystems methodisch und systematisch. Ausgangspunkt sind die Präzisierung der Aufgabenstellung, die Funktionssynthese und die Suche nach Lösungsprinzipien für einige Anordnungsprinzipien unter Berücksichtigung verschiedener Magnettypen. Die Berechnungen werden nicht nur analytisch, sondern auch numerisch mit der Software COMSOL Multiphysics® durchgeführt. Mittels einer gewichteten Bewertung lässt sich ein geeignetes Lösungsprinzip auswählen und zu einem technischen Entwurf des Magnetsystems weiterentwickeln. Schließlich wird ein Prototyp gebaut und experimentell untersucht. Die wesentliche funktionale Anforderung an das zu entwickelnde Magnetsystem ist die Erzeugung einer Lorentzkraft von mindestens 4,9 N bei einer maximalen Betriebsspannung von 10 V. Hauptsächlich werden drei Lösungsprinzipien für die Anordnung des Magneten ausführlich betrachtet und Funktionsnachweise dazu erbracht, nämlich Scheibenmagnete mit Ringmagneten, Ringmagnete mit Quadermagnetarray, und lediglich Würfelmagnetarray. Die theoretischen Berechnungsergebnisse deuten darauf hin, dass alle drei Anordnungsprinzipien die gewünschte Lorentzkraft erzeugen könnten. Die Variante mit Würfelmagneten weist jedoch weit überdurchschnittliche Eigenschaften auf, z.B. Montagegerechtheit und flexible Austauschbarkeit. Theoretisch könnte eine Lorentzkraft von 11,88 N mit zwei parallel geschalteten Spulen und 360 Würfelmagneten bei einer Betriebsspannung von 6 V erzeugt werden. Wenn die Spulen jedoch in Reihe mit einem 100 Ω Shunt-Widerstand unter der maximalen Betriebsspannung betrieben würden, sollten die Spulen eine Lorentzkraft von etwa 5,71 N schaffen, die die Anforderung erfüllt. Daher wird dieses Lösungsprinzip entsprechend den Bewertungsergebnissen ausgesucht und weiter im Experiment verfolgt. Im Experiment mit dem Würfelmagnetarray lässt sich zusammenfassen, dass der Prototyp die geforderten Funktionen des Magnetsystems gut erfüllt. Allerdings liegen beträchtliche Abweichungen der Lorentzkraft zwischen Theorie und Praxis vor. Als die beiden Spulen bei einer Betriebsspannung von 10 V mit einem Shunt-Widerstand von 100 Ω in Reihe geschaltet wurden, wies das Magnetsystem durchschnittlich eine gemessene Lorentzkraft von 3,41 N mit einer Abweichung von etwa −40,28 % im Vergleich zur Theorie auf. Bei einer zweiten Messung wurden die Spulen in Reihenschaltung ohne Shunt-Widerstand mit ca. 9 V Betriebsspannung durchgeführt, dabei lag die gemessene Lorentzkraft bei 5,08 N, also um 40,72 % niedriger als die theoretische Berechnung. Doch die gewünschte Lorentzkraft wurde erreicht, der experimentell ermittelte Bl-Kennwert (Absolutwert) des Magnetsystems beträgt durchschnittlich demnach ungefähr 85,26 N/A.
Konzeption und Konstruktion eines Transfersystems für hochgenaue Gewichtsstücke. - Ilmenau. - 150 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der konstruktiven Umsetzung eines Vakuum Transfer Systems. Dieses soll an einen Massekomparator angeschlossen werden. Ziel der Masterarbeit ist es, auf Basis von vorangegangen wissenschaftlichen Arbeiten und Konstruktionen theoretische und praktische Grundlagen zu erarbeiten und konstruktiv umzusetzen. Dabei wird nach der bestmöglichen konstruktiven Lösung unter Berücksichtigung einer minimalen Bauraumgröße, externer und interner technischer Anforderungen sowie Fertigbarkeit des Systems gesucht.
Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme eines digital steuerbaren Analogreglers für EMK-Kraftmesssysteme. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die Elektromagnetische Kraftkompensation (EMK) ist ein Prinzip, das auch bei hochwertigen Präzisionswaagen angewendet wird. Derartige EMK-Waagen werden aufgrund ihrer Genauigkeit in vielen Bereichen eingesetzt. Allerdings kann ein entsprechendes elektromechanisches System nicht alleine verwendet werden, sondern muss aufgrund seines inneren Aufbaus zusammen mit einem Regler betrieben werden. Dieser Regler führt den elektrischen Stromfluss durch den elektromechanischen Aktor des EMK-Systems nach, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Gewichtskraft des Messobjektes und der elektromagnetisch erzeugten Gegenkraft einstellt. Hierbei kommen neben rein analogen sowie digitalen Reglern auch Mischformen z.B. in Form digital steuerbarer Analogregler zum Einsatz. In dieser Masterarbeit wird beschrieben, wie der Entwurfsprozess, die praktische Realisierung und die experimentelle Untersuchung eines solchen digital steuerbaren, analogen PID-Reglers sowie seiner einzelnen Baugruppen abläuft.
Entwicklung einer Kalibriereinrichtung für Wärmestromsensoren. - Ilmenau. - 140 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Wärmestromsensoren gewinnen zunehmend an Bedeutung und die Einsatzbereiche dieser werden vielfältiger. Aus diesem Grund wurde an der Technischen Universität Ilmenau, am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik ein Prüfstand zum Kalibrieren von Wärmestromsensoren entwickelt. Der Prüfstand stellt zwei rückführbare und individuell einstellbare Oberflächentemperaturen bereit. Als kleinste Temperaturdifferenz zwischen beiden Oberflächentemperaturen sind 100 mK gefordert. Der Messbereich des Aufbaus umfasst Temperaturen von -30 ˚C bis 60 ˚C. In dieser Arbeit wird der mechanische, elektrische und softwaretechnische Aufbau des Prüfstands beschrieben. Nach der Inbetriebnahme wird der Aufbau messtechnisch untersucht und bewertet. Für die Evaluierung wurden Simulatoren verwendet, die über gleiche thermische und geometrische Eigenschaften verfügen, wie die zu kalibrierenden Wärmestromsensoren. Es wird der Einfluss des thermischen Kontaktwiderstands auf das Messergebnis diskutiert und die Wiederholbarkeit geprüft. Abschließend wird die erreichbare Unsicherheit, hinsichtlich der Oberflächentemperaturen ermittelt. Außerdem werden Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Um eine Methode zur Herstellung minimaler Strukturen auf dreidimensionalen Oberflächen zu untersuchen, eine neuartige fünfachsige Nanomess- und Nanofabrikationsmaschine sollte entwickelt werden. Das Werkzeug wird in einen neuartigen Rotations- und Neigungsaufbau integriert. Mit dessen Hilfe können auch stark gekrümmte, asphärische oder freigeformte Oberflächen orthogonal angetastet werden. Es soll zudem als ein Werkzeug für das Direct Laser Writing verwendet werden. Um mit dem Schreiblaser im optimalen Arbeitspunkt zu schreiben, ist ein Messsystem für die Oberfläche erforderlich. Die anspruchsvollen Bauraumbedingungen erfordern ein miniaturisiertes Mess- und Schreibsystemen. Das Messsystem nutzt zwei Laser und arbeitet auf dem Prinzip eines chromatisch differentiellen Konfokalmikroskops. Es wird so gestaltet, dass das chromatische optische System die Fokusebene des Schreiblasers zwischen den beiden Fokusebenen des Messlasers liegt. Gleichzeitig wird ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis von Differenzsignalen auch als eines der Hauptziele des Designs optischer Systeme betrachtet. Die Arbeit umfasst primär Entwurf und Realisierung dieses hochintegrierten Werkzeugs. Abschließend wird das Werkzeug hinsichtlich seiner Fokusebenen für den Schreib- und die beiden Messlaser charakterisiert. Per Design sollte das Werkzeug die axiale Auflösung kleiner als 1 nm und die laterale Auflösung kleiner als 2 [my]m und sein axialer Messbereich beträgt ca. 10 [my]m. Bei der Charakterisierung stellte sich heraus, dass aufgrund parasitärer Interferenzen und Fokusverschiebungen durch abweichende Wellenlängen es zu Abweichungen von den Zielwerten kam.
Konzeption eines automatisierten Prüfstandes für die End-of-Line-Prüfung eines auf 3D-Hallsensor basierenden Positions- und Drehratensensors. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Ein wichtiger Bestandteil der modernen Serienproduktion ist die End-of-Line-Prüfung, welche insbesondere in der Automobilindustrie mit einem hohen Automatisierungsgrad und der zwingenden Einhaltung von zahlreichen Standards und Normen einhergeht. Ziel dieser Masterarbeit ist die Erarbeitung eines Prüfstandkonzepts für die End-of-Line-Prüfung von 3D-Hallsensor basierenden Positions- und Drehratensensoren. Zudem sollen die Sensoren an dieser Prüfstation programmiert und kalibriert werden. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden die Anforderungen an den Prüfstand erarbeitet, Funktionsstruktur sowie Funktionen abgeleitet und auf deren Basis nach VDI 2221 ein Konzept erstellt. Dieses Konzept wurde in dem Maße verfeinert, dass es über den nötigen Detaillierungsgrad für die Erstellung eines Lastenhefts verfügt.
Verifizierung interferometrischer Messtechnik zur Vermessung von Portalschwankungen eines Koordinatenmessgerätes im dynamischen Betrieb. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit findet eine Verifizierung kohärenter Methoden zur Echtzeitmessung von Verformungen und Schwingungen in Maschinen oder Maschinenteilen aufgrund thermischer, statischer und dynamischer Wechsellasten statt. Diese werden insbesondere durch interferometrische Verlagerungsmessungen, an gegen Strukturknoten abgesetzten Retroreflektoren Ensembles erfasst. Dieser beschriebene Messaufbau ist vorzugsweise innerhalb des schutz-gekapselten Maschinenvolumens untergebracht. Dabei wird eine Analyse der Druckschwankungen durchgeführt. Durch eine geeignete Anordnung mit bevorzugt drei Sensoren, können die Geometrieabweichungen Nicken und Gieren simultan erfasst werden. Als Messmittel wird gewöhnlich eine interferometrische Längenmessung verwendet. Diese Art der Messung kann jedoch durch andere Methoden der Längenmessung wie beispielsweise durch die Verwendung von Linearmaßstäben, ersetzt werden. Die Implementierung solcher Linearmaßstäbe ist jedoch aufwendiger und teurer. Durch die Integration eines solchen Systems, können die dynamischen Verformungen zur Kompensation in Messvorgängen ermittelt werden. Als Resultat, werden höhere Messgeschwindigkeiten möglich, welche die Wirtschaftlichkeit fördern.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Um die am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik entwickelten optischen Messprototypen besser in den Stand der Technik einordnen zu können, wurde ein kommerzieller Konfokalsensor angeschafft. Das Ziel dieser Arbeit ist die Integration dieses kommerziellen Konfokalsensors in eine Nanopositionier- und Nanometermaschine (NPMM). Die Integration der Sensoren besteht aus 3 Teilen. Der erste Teil bestand darin, den unendlich korrigierten Strahlengang zu entwerfen, um das bestehende System und seine unterschiedlichen Subsysteme mit dem kommerziellen Konfokalsensor zu verbinden. Dabei ist der zweite Teil über die Verbindung der mechanischen Struktur ebenfalls herausfordernd. Die Befestigungsstruktur des konfokalen Sensors, die Justierstruktur für den konfokalen Sensor, die Befestigungsstruktur für die optischen Elemente müssen eine Anpassung des neuen Strahlenganges an den existierenden Strahlengang möglich machen. Zuletzt müssen die Messsignale integriert werden. Um eine schnelle Echtzeitmessung zu ermöglichen wurden NPMM und Konfokalsensor über eine analoge Schnittstelle verbunden. Schließlich wurden Testmessungen durchgeführt um das integrierte System zu charakterisieren.
Fixpunktregelung und Fixpunktdetektion einer offenen Fixpunktzelle. - Ilmenau. - 146 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Diese Arbeit umfasst die Analyse und Weiterentwicklung eines bestehenden Demonstrators einer offenen Fixpunktzelle. Ziel ist es das enthaltene Phasenwechselmaterial in den Phasenübergang zu überführen und diesen Zustand mit einer geeigneten Regelung so lange wie möglich zu halten. Weiterhin wird die vorhandene Elektrik überarbeitet und in geeignetes Gehäuse überführt. Dazu ist die Konstruktion eines geeigneten Sockels nötig um die Fixpunktzelle mit dem Demonstrator mechanisch, sowie elektrisch zu verbinden. Um den Demonstrator bedienen zu können, wird eine geeignete GUI in Python programmiert. Mit dieser kann der Demonstrator gesteuert und geregelt werden.