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Modellierung und Simulation eines wimpernbasierten piezoelektrischen Kleinantriebs

Carrasco, Alvaro G. :
Modellierung und Simulation eines wimpernbasierten piezoelektrischen Kleinantriebs.
TU Darmstadt
[Masterarbeit], (2011)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Rahmen des AdRIA-Projekts WimPi wird ein piezoelektrischer Kleinantrieb auf Wimpernbasis entwickelt. Ziel des Projekts ist es, einen Aktor zu entwerfen, der sich durch seine kleine Größe, einen geringen Geräuschpegel und niedrigen Konstruktionsaufwand auszeichnet. Der Wimpernantrieb besteht aus 4 Komponenten, einem Piezostack, einer Hebelkinematik, einem Rotor und einer Schicht aus mikroskopischen Härchen aus Kohlenstofffasern, den sogenannten Wimpern, die so angeordnet sind, dass sie einen anisotropischen Reibkoeffizient erzeugen. Der Piezo übt eine Kraft auf die Hebelkinematik aus, die diese auf die Basis der Wimpern überträgt. Aufgrund des Drückens der Wimpern gegen den Läufer, haften sie durch die anisotrope Reibung an der Fläche des Läufers und werden so gebogen. Damit ergibt sich eine tangentiale Kraft zur Eingangskraft die Bewegung am Läufer verursacht. In Rahmen dieser Masterarbeit wird das Verhalten der Kohlenstofffasern unter Druckspannung analytisch untersucht und daraus Anforderungen fur den Aufbau eines Aktors abgeleitet. Die Parameter Winkel, Lange, Biegeauslenkung und Geschwindigkeit werden durch eine Modellierung und Simulation untersucht. Die Abbildung zeigt eine Kohlenstofffaser, die in einem bestimmten Winkel eingespannt ist und den Laufer mit einer Geschwindigkeit bewegt. Da die Wimpern in einer Epoxidharzmatrix geliefert werden, wird eine plasmaunterstützte Methode zur partialen Entfernung des Epoxidharz definiert, um die Wimpern aus der Matrix zu lösen und so den Aufbau des Demonstrators zu ermöglichen. Hierfür wurde ein Ätzprozess mit einem STP-2020 Reaktor mit definierten Parametern und ein anschließender Reinigungsprozess entwickelt sowie Wimpern in der gewünschten Länge hergestellt. In der Arbeit wird ein Modell als Referenz vorgestellt, in dem die auf eine Faser wirkenden Kräfte dargestellt werden. Aufgrund der hohe Belastung, die der Piezo auf die Fasern ausübt, können zwei unterschiedliche Verhalten auftreten: die lineare und nichtlineare Biegung. Für die nichtlineare Biegung wird die Theorie höherer Ordnung verwendet. Dafür betrachtet man die Knickung der Faser und leitet die jeweilige Differentialgleichung her. Beide Fälle wurden mathematisch charakterisiert, analytisch untersucht und durch FEM Simulationen bestätigt. Durch diese Analysen wurde deutlich, dass die Variable des Winkels aufgrund der Fasergestaltung nur eine Rolle beim dynamischen Verhalten spielt. Mit der Länge der Faser kann die Schrittweite des Aktors beeinflusst werden, die in der Realität vom Reibschluss zwischen den Wimpern begrenzt wird. Die Geschwindigkeit des Aktors wurde analytisch ermittelt und repräsentative Simulationen zur Darstellung der Faser als starrer Körper und elastischer Körper gemacht, die als Vergleich bei der Inbetriebnahme des Aktors verwendet werden können. Mit der Herstellung der Wimpern und mit der mathematischen Modellierung des Faserverhaltens ist die Basis für die Konstruktion eines funktionsfähigen Demonstrators gegeben, mit dem weitere Untersuchungen im Rahmen des Forschungsprojekts WimPi durchgeführt werden können.

Typ des Eintrags: Masterarbeit
Erschienen: 2011
Autor(en): Carrasco, Alvaro G.
Titel: Modellierung und Simulation eines wimpernbasierten piezoelektrischen Kleinantriebs
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Im Rahmen des AdRIA-Projekts WimPi wird ein piezoelektrischer Kleinantrieb auf Wimpernbasis entwickelt. Ziel des Projekts ist es, einen Aktor zu entwerfen, der sich durch seine kleine Größe, einen geringen Geräuschpegel und niedrigen Konstruktionsaufwand auszeichnet. Der Wimpernantrieb besteht aus 4 Komponenten, einem Piezostack, einer Hebelkinematik, einem Rotor und einer Schicht aus mikroskopischen Härchen aus Kohlenstofffasern, den sogenannten Wimpern, die so angeordnet sind, dass sie einen anisotropischen Reibkoeffizient erzeugen. Der Piezo übt eine Kraft auf die Hebelkinematik aus, die diese auf die Basis der Wimpern überträgt. Aufgrund des Drückens der Wimpern gegen den Läufer, haften sie durch die anisotrope Reibung an der Fläche des Läufers und werden so gebogen. Damit ergibt sich eine tangentiale Kraft zur Eingangskraft die Bewegung am Läufer verursacht. In Rahmen dieser Masterarbeit wird das Verhalten der Kohlenstofffasern unter Druckspannung analytisch untersucht und daraus Anforderungen fur den Aufbau eines Aktors abgeleitet. Die Parameter Winkel, Lange, Biegeauslenkung und Geschwindigkeit werden durch eine Modellierung und Simulation untersucht. Die Abbildung zeigt eine Kohlenstofffaser, die in einem bestimmten Winkel eingespannt ist und den Laufer mit einer Geschwindigkeit bewegt. Da die Wimpern in einer Epoxidharzmatrix geliefert werden, wird eine plasmaunterstützte Methode zur partialen Entfernung des Epoxidharz definiert, um die Wimpern aus der Matrix zu lösen und so den Aufbau des Demonstrators zu ermöglichen. Hierfür wurde ein Ätzprozess mit einem STP-2020 Reaktor mit definierten Parametern und ein anschließender Reinigungsprozess entwickelt sowie Wimpern in der gewünschten Länge hergestellt. In der Arbeit wird ein Modell als Referenz vorgestellt, in dem die auf eine Faser wirkenden Kräfte dargestellt werden. Aufgrund der hohe Belastung, die der Piezo auf die Fasern ausübt, können zwei unterschiedliche Verhalten auftreten: die lineare und nichtlineare Biegung. Für die nichtlineare Biegung wird die Theorie höherer Ordnung verwendet. Dafür betrachtet man die Knickung der Faser und leitet die jeweilige Differentialgleichung her. Beide Fälle wurden mathematisch charakterisiert, analytisch untersucht und durch FEM Simulationen bestätigt. Durch diese Analysen wurde deutlich, dass die Variable des Winkels aufgrund der Fasergestaltung nur eine Rolle beim dynamischen Verhalten spielt. Mit der Länge der Faser kann die Schrittweite des Aktors beeinflusst werden, die in der Realität vom Reibschluss zwischen den Wimpern begrenzt wird. Die Geschwindigkeit des Aktors wurde analytisch ermittelt und repräsentative Simulationen zur Darstellung der Faser als starrer Körper und elastischer Körper gemacht, die als Vergleich bei der Inbetriebnahme des Aktors verwendet werden können. Mit der Herstellung der Wimpern und mit der mathematischen Modellierung des Faserverhaltens ist die Basis für die Konstruktion eines funktionsfähigen Demonstrators gegeben, mit dem weitere Untersuchungen im Rahmen des Forschungsprojekts WimPi durchgeführt werden können.

Freie Schlagworte: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Piezoantrieb Antriebskonzept Linearantrieb Stellantrieb Festkörpergelenk monolithisch Kohlefaser Wimpernantrieb
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: 09 Jan 2012 13:38
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKM1777

Art der Arbeit: Masterarbeit

Beginn Datum: 01-05-2011

Ende Datum: 31.10.2011

Querverweis: keine

ID-Nummer: 17/24 EMKM1777
Gutachter / Prüfer: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F.
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