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Entwicklung neuartiger wimpernbasierter piezoelektrischer Antriebe

Carrasco Subieta, Alvaro German (2019):
Entwicklung neuartiger wimpernbasierter piezoelektrischer Antriebe.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8648],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung von wimpernbasierten piezoelektrischen Kleinantrieben. Diese neuartigen Kleinantriebe zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein Piezoelement als Wegquelle und einen elastischen Reibkörper aus flächig verteilten Wimpern mit definierter Anfangsneigung einsetzen, um Hub und Kraft durch anisotrope Reibung mit der Kontaktfläche zum Läufersystem zu übertragen. Dabei kann die Vorschubkraft, bzw. die Reibkraft, über die Vergrößerung der Wimpernschicht erhöht werden. Große schrittartige Bewegungen werden durch kinematische Strukturen erreicht, die die Mikrohübe aus dem Piezoelement vergrößern und zum Reibkörper übertragen. Die Geschwindigkeit kann über die Steuerfrequenz des Piezoelements bestimmt werden. Das Konzept der Wimpernantriebe wurde für zwei Bewegungsprinzipien ausgearbeitet und in der Entwicklung von zwei Kleinantrieben umgesetzt und evaluiert. Für die Berechnung der Biegeverformung der Wimpern im Reibkörper wurde die Klassifizierung der vier Ordnungen der Theorie elastischer Biegung verwendet. Die Großverformungen der Wimpern wurden im Rahmen der dritten Ordnung eingeordnet und anhand elliptischer Transformationen berechnet. Im Herstellungsprozess des elastischen Wimpern-Reibkörpers werden Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 6 μm über eine Reihe maschinell unterstützter Vorgänge bearbeitet und chemisch behandelt, um die Fasern mit der Anfangsneigung von 45° und der Länge von etwa 2 mm flächig zu verteilen. Durch die experimentelle Untersuchung der Reibpaarung der Faserarrays aus etwa 48 000 Kohlenstofffasern mit verschiedenen Kontaktflächen wurde der passende Reibpartner für die Wimpernantriebe gewählt. Für die Experimente wurden Messvorrichtungen entwickelt, die die Beanspruchung der Fasern in beiden Wimpernantrieben nachbilden. In einem weiteren Schritt wurden monolithische Hebelstrukturen entwickelt, die das Piezoelement einspannen und den Kohlenstofffaser-Reibkörper fixieren. Die aktiven Statoren sind auf Laufwagen von Profilschienenführungen montiert. In der Charakterisierung der Wimpernantriebe wurden Schrittgrößen von 200 μm erreicht. Dabei wurde nachgewiesen, dass eine lineare Proportionalität zwischen Geschwindigkeit und Steuerfrequenz besteht, die bei der Steigerung von Zugkräften nachlässt. Das große Potential der Wimpern-antriebe besteht darin, die Vorschubkraft über die Skalierfähigkeit des Kohlenstofffaser-Reibkörpers oder über die Faserlänge zu verbessern.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Carrasco Subieta, Alvaro German
Title: Entwicklung neuartiger wimpernbasierter piezoelektrischer Antriebe
Language: German
Abstract:

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung von wimpernbasierten piezoelektrischen Kleinantrieben. Diese neuartigen Kleinantriebe zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein Piezoelement als Wegquelle und einen elastischen Reibkörper aus flächig verteilten Wimpern mit definierter Anfangsneigung einsetzen, um Hub und Kraft durch anisotrope Reibung mit der Kontaktfläche zum Läufersystem zu übertragen. Dabei kann die Vorschubkraft, bzw. die Reibkraft, über die Vergrößerung der Wimpernschicht erhöht werden. Große schrittartige Bewegungen werden durch kinematische Strukturen erreicht, die die Mikrohübe aus dem Piezoelement vergrößern und zum Reibkörper übertragen. Die Geschwindigkeit kann über die Steuerfrequenz des Piezoelements bestimmt werden. Das Konzept der Wimpernantriebe wurde für zwei Bewegungsprinzipien ausgearbeitet und in der Entwicklung von zwei Kleinantrieben umgesetzt und evaluiert. Für die Berechnung der Biegeverformung der Wimpern im Reibkörper wurde die Klassifizierung der vier Ordnungen der Theorie elastischer Biegung verwendet. Die Großverformungen der Wimpern wurden im Rahmen der dritten Ordnung eingeordnet und anhand elliptischer Transformationen berechnet. Im Herstellungsprozess des elastischen Wimpern-Reibkörpers werden Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 6 μm über eine Reihe maschinell unterstützter Vorgänge bearbeitet und chemisch behandelt, um die Fasern mit der Anfangsneigung von 45° und der Länge von etwa 2 mm flächig zu verteilen. Durch die experimentelle Untersuchung der Reibpaarung der Faserarrays aus etwa 48 000 Kohlenstofffasern mit verschiedenen Kontaktflächen wurde der passende Reibpartner für die Wimpernantriebe gewählt. Für die Experimente wurden Messvorrichtungen entwickelt, die die Beanspruchung der Fasern in beiden Wimpernantrieben nachbilden. In einem weiteren Schritt wurden monolithische Hebelstrukturen entwickelt, die das Piezoelement einspannen und den Kohlenstofffaser-Reibkörper fixieren. Die aktiven Statoren sind auf Laufwagen von Profilschienenführungen montiert. In der Charakterisierung der Wimpernantriebe wurden Schrittgrößen von 200 μm erreicht. Dabei wurde nachgewiesen, dass eine lineare Proportionalität zwischen Geschwindigkeit und Steuerfrequenz besteht, die bei der Steigerung von Zugkräften nachlässt. Das große Potential der Wimpern-antriebe besteht darin, die Vorschubkraft über die Skalierfähigkeit des Kohlenstofffaser-Reibkörpers oder über die Faserlänge zu verbessern.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
LOEWE
LOEWE > LOEWE-Zentren
LOEWE > LOEWE-Zentren > AdRIA – Centre for Adaptronics – Research, Innovation, Application
Date Deposited: 12 May 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8648
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86485
Referees: Schlaak, Porf DrIng Helmut and Bein, Prof DrIng Thilo
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 10 December 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The subject of this study is the development of small cilia-based piezoelectric actuators. These innovative microdrives are characterized by the use of a piezoelectric element as source of displacement and an elastic friction body of cilia distributed on the substrates surface in array form with a defined initial inclination to transmit stroke and force by anisotropic friction with the contact surface to the rotor system. Thereby, the feed force, or the frictional force, can be increased by enlarging the cilia layer. Large step-like movements are achieved by kinematic structures, which enlarge the micro-strokes from the piezoelectric element and transfer them to the friction body. The speed can be determined through the control frequency of the piezoelectric element. The concept of cilia-based drives was developed for two principles of movement and implemented and evaluated in the development of two small drives. For the calculation of the bending deformation of the cilia in the friction body, the classification of the four orders of the theory of elastic bending was used. The large deformations of the cilia were classified in the third order and calculated using elliptic transformations. In the process of manufacturing the elastic cilia-based friction body, 6 μm diameter carbon fibers are processed and chemically treated by a series of machine assisted processes to distribute the fibers on the substrates surface with the initial inclination of 45 degrees and the length of about 2 mm. By experimentally examining the friction pairing of the fiber arrays of approximately 48 000 carbon fibers with different contact surfaces, the appropriate friction partner for the cilia-based drives was chosen. For the experiments, measuring devices were developed, which simulate the stress of the fibers in both cilia-based drives. In a further step, monolithic lever structures were developed, which clamp the piezo element and fix the carbon fiber friction body. The active stators are installed on carriages of profiled rail guides. During the characterization of the cilia-based drives, step sizes of 200 μm were achieved. It has been proven that there is a linear proportionality between speed and control frequency, which decreases when pulling forces are increased. The great potential of the cilia-based drives is to improve the feed force by scaling the carbon fiber friction body or fiber length.English
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