TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Auslegung und Optimierung von Verformungskörperstrukturen für die mehrdimensionale Kraftmessung in minimalinvasiven Instrumenten

Streit, Flavio :
Auslegung und Optimierung von Verformungskörperstrukturen für die mehrdimensionale Kraftmessung in minimalinvasiven Instrumenten.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2010)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auslegung und Optimierung von Verformungskörperstrukturen zur Messung von mehrdimensionalen Interaktionskräften im Rahmen der minimalinvasiven Chirurgie. Hierzu werden vier Verformungskörper anhand einer FEM-Software (Ansys Workbench) analysiert und verändert, mit dem Ziel bei einer Krafteinwirkung von 5 N eine möglichst homogene Dehnungsverteilung von etwa 250 µm/m an den Messelementen zu erhalten. Dabei wird auf das Schwingungsverhalten und auf das Verformungsverhalten der Kraftsensoren geachtet, um Messungen im angestrebten Arbeitsbereich zu ermöglichen.

Die Verformungskörper werden mittels Änderung des Verformungskörpermaterials und der geometrischen Abmessungen der Verformungselemente, sowie durch Variation der Kraftangriffsstelle und der Kerbformen optimiert. Anschließend werden Halbleiter Messelemente auf der Oberfläche des Körpers angebracht und ausgerichtet. Im Rahmen der Simulation werden hierbei folgende Ergebnisse ermittelt.

Ein Verformungskörper aus Stahl ist aufgrund zu geringer Streckgrenze ungeeignet. Um plastische Verformungen auch bei vierfacher Überlast zu vermeiden, müssen andere Materialien eingesetzt werden. Die Verwendung von Titanlegierungen ermöglicht eine Steigerung des Dehnungsbetrags und gewährt einen Überlastschutz für den Verformungskörper. Durch Variation der Geometrie können die gewünschten Dehnungswerte von etwa 250 µm/m an den möglichen Messorten erreicht und gleichzeitig die Anforderungen an die Grenzfrequenz und an den Überlastschutz erfüllt werden. Die Analyse der Dehnungen unter den angestrebten Krafteinflüssen zeigt, dass alle betrachteten Verformungskörper empfindlicher für Belastungen in x- und y-Richtung als für Belastungen in z-Richtung sind.

Bei gegebenem Dehnungsbetrag werden die Silizium Messelemente stark belastet.

Simulationen ergeben für maximal zulässige Spannung von 150 MPa normal elastische Dehnungen in Höhe von etwa 270…390 µm/m. Die Anforderung eines vierfachen Überlastschutzes kann, da Maximalspannungen von über 100 MPa auftreten, für den geforderten Dehnungsbetrag von 250 µm/m nicht gewährt werden. Die DMS müssen für die Nutzung am Verformungskörper außerhalb ihres Optimums betrieben werden. Für einen vierfachen Überlastschutz wäre hierbei eine maximale Belastung von 75 MPa an den Sensoren bei Nennlast zulässig. Die dabei maximal auftretende normal elastische Dehnung am Messelement variiert je nach Verformungskörperstruktur. Für die Variante mit der homogensten Dehnungsverteilung sind Belastungen des Verformungskörpers in x-, y-Richtung von etwa 130 bis 190 µm/m und für Belastungen in z-Richtung 109…151 µm/m zu erwarten. Es treten hierfür Widerstandsänderungen in Höhe von 1,5 % bis 2,5 % bei seitlicher Beanspruchung bzw. 1,3 % bis 1,6 % für Belastungen durch Fz auf.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2010
Autor(en): Streit, Flavio
Titel: Auslegung und Optimierung von Verformungskörperstrukturen für die mehrdimensionale Kraftmessung in minimalinvasiven Instrumenten
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auslegung und Optimierung von Verformungskörperstrukturen zur Messung von mehrdimensionalen Interaktionskräften im Rahmen der minimalinvasiven Chirurgie. Hierzu werden vier Verformungskörper anhand einer FEM-Software (Ansys Workbench) analysiert und verändert, mit dem Ziel bei einer Krafteinwirkung von 5 N eine möglichst homogene Dehnungsverteilung von etwa 250 µm/m an den Messelementen zu erhalten. Dabei wird auf das Schwingungsverhalten und auf das Verformungsverhalten der Kraftsensoren geachtet, um Messungen im angestrebten Arbeitsbereich zu ermöglichen.

Die Verformungskörper werden mittels Änderung des Verformungskörpermaterials und der geometrischen Abmessungen der Verformungselemente, sowie durch Variation der Kraftangriffsstelle und der Kerbformen optimiert. Anschließend werden Halbleiter Messelemente auf der Oberfläche des Körpers angebracht und ausgerichtet. Im Rahmen der Simulation werden hierbei folgende Ergebnisse ermittelt.

Ein Verformungskörper aus Stahl ist aufgrund zu geringer Streckgrenze ungeeignet. Um plastische Verformungen auch bei vierfacher Überlast zu vermeiden, müssen andere Materialien eingesetzt werden. Die Verwendung von Titanlegierungen ermöglicht eine Steigerung des Dehnungsbetrags und gewährt einen Überlastschutz für den Verformungskörper. Durch Variation der Geometrie können die gewünschten Dehnungswerte von etwa 250 µm/m an den möglichen Messorten erreicht und gleichzeitig die Anforderungen an die Grenzfrequenz und an den Überlastschutz erfüllt werden. Die Analyse der Dehnungen unter den angestrebten Krafteinflüssen zeigt, dass alle betrachteten Verformungskörper empfindlicher für Belastungen in x- und y-Richtung als für Belastungen in z-Richtung sind.

Bei gegebenem Dehnungsbetrag werden die Silizium Messelemente stark belastet.

Simulationen ergeben für maximal zulässige Spannung von 150 MPa normal elastische Dehnungen in Höhe von etwa 270…390 µm/m. Die Anforderung eines vierfachen Überlastschutzes kann, da Maximalspannungen von über 100 MPa auftreten, für den geforderten Dehnungsbetrag von 250 µm/m nicht gewährt werden. Die DMS müssen für die Nutzung am Verformungskörper außerhalb ihres Optimums betrieben werden. Für einen vierfachen Überlastschutz wäre hierbei eine maximale Belastung von 75 MPa an den Sensoren bei Nennlast zulässig. Die dabei maximal auftretende normal elastische Dehnung am Messelement variiert je nach Verformungskörperstruktur. Für die Variante mit der homogensten Dehnungsverteilung sind Belastungen des Verformungskörpers in x-, y-Richtung von etwa 130 bis 190 µm/m und für Belastungen in z-Richtung 109…151 µm/m zu erwarten. Es treten hierfür Widerstandsänderungen in Höhe von 1,5 % bis 2,5 % bei seitlicher Beanspruchung bzw. 1,3 % bis 1,6 % für Belastungen durch Fz auf.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Festigkeitsanalyse, Kraftsensor piezoresistiv, Simulation von Kraft, Verformungskörper, Wandleroptimierung
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 31 Aug 2011 10:22
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1736

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 08-07-2009

Ende Datum: 08-01-2010

Querverweis: 17/24 EMKS 1630, 17/24 EMKS 1673

Studiengang: Wirtschaftsingenieur Elektrotechnik und Informationstechnik (WI-ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (WiET)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1736
Gutachter / Prüfer: Rausch, Dipl.-Ing. Jacqueline ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
Verwandte URLs:
Export:

Optionen (nur für Redakteure)

Eintrag anzeigen Eintrag anzeigen