Herzlich Willkommen im Modul. Konstruktionslehre III/IV Feinwerktechnik (mit feinwerktechnischer Orientierung)

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1 Herzlich Willkommen im Modul Konstruktionslehre III/IV Feinwerktechnik (mit feinwerktechnischer Orientierung) Wahlmöglichkeit für Bachelor-Studiengänge Maschinenwesen und Fahrzeug- und Motorentechnik Prof. Dr.- Ing. W. Schinköthe Einführungsvorlesung

2 Stundentafel Bachelor

3 Modulname Konstruktionslehre III/IV - Feinwerktechnik (mit feinwerktechnischer Orientierung) Modulnummer Prof. Dr.- Ing. W. Schinköthe Einführungsvorlesung

4 Was ist Feinwerktechnik, wodurch wollen wir uns differenzieren? Einführungsvorlesung

5 Heute hieße Feinwerktechnik Mechatronik Schnittdisziplin Feinwerktechnik

6 Beispiele für Feinwerktechnik Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik? Einführungsvorlesung

7 Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik? Feinwerktechnik hat andere Dimensionen! Warum Konstruktionslehre Feinwerktechnik

8 Quelle: IKFF Verbrennungsmotor eines Modellflugzeuges

9 Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik? Feinwerktechnik hat andere Dimensionen! Feinwerktechnik ist stark interdisziplinär (Mechanik, Elektrotechnik, Elektronik, Optik,...)! Warum Konstruktionslehre Feinwerktechnik

10 Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik? Feinwerktechnik hat andere Dimensionen! Feinwerktechnik ist stark interdisziplinär (Mechanik, Elektrotechnik, Elektronik, Optik,...)! Feinwerktechnik hat einen starken mechatronischen Charakter! Warum Konstruktionslehre Feinwerktechnik

11 Quelle: pcseek Spurabstände kleiner 0,2 2 :m, Spurfolgegenauigkeit kleiner 100 nm Kopfflughöhe 10 nm, mittlere Positionierzeit 10 ms, Vergleich Haar :m, d.h. 20(0)...40(0) Spuren pro Haar Quelle: IKFF Festplattenlaufwerk

12 Quelle: Storz Tuttlingen Endoskope

13 Eisenrückschluß Antriebsspule 1 Lagerhülse Polschuh Permanentmagnet Antriebsspule 2 Technische Daten: Außendurchmesser: 7 mm Länge: 7,5 mm Hub : 2 mm Bohrungsdurchmesser: 3,5 mm Nennkraft: 70 mn Quelle: IKFF Aktorik: Miniaturmotor mit integrierter Positionserfassung

14 Permanentmagnetisch erregter Gleichstrom- Hohlläufermotor für hochdynamische Positionieraufgaben mit angeflanschtem inkrementalem Geber mit stirnseitigem Umlaufräder-Getriebe Quelle: maxon motor Kleinmotor

15 Elektronisch kommutierter Gleichstrom- Mikromotor mit stirnseitigem Umlaufräder- Getriebe Ø1,9 mm Quelle: Faulhaber Faulhaber-Mikromotor Ø 1,9 mm

16 Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik? Feinwerktechnik hat andere Dimensionen! Feinwerktechnik ist stark interdisziplinär (Mechanik, Elektrotechnik, Elektronik, Optik,...)! Feinwerktechnik hat einen starken mechatronischen Charakter! Feinwerktechnik hat sehr heterogene, aber auch vielfältige Einsatzfelder! Warum Konstruktionslehre Feinwerktechnik

17 Feinwerktechnische Erzeugnisse mit dominierendem Informationsfluss Informationsgewinnung verarbeitung übertragung speicherung ausgabe Fernrohr Mikroskop Uhren Messtechnik Sensoren Digitalisiergeräte Rechner aller Art Fax, Fernsprech- Rundfunk-, Fernseh-, Radar-, Satellitenempfangsgeräte Tonbandgeräte, Plattenspeicher, Mikrofilmgeräte, Fotogeräte Videogeräte Bildschirmgeräte, Projektoren, Plotter Drucker Fahrzeugkomponenten Steuerungen, Anzeige-, Navigationsund Informationssysteme, Feinwerktechnik

18 Quelle: Bosch Reutlingen Sensoren, Aktoren für Sicherheitssysteme im PKW

19 Feinwerktechnische Erzeugnisse mit dominierendem Energie- oder Stofffluss Bürotech -nik Medizin- und Labortechnik Technisches Spielzeug Produktionstechnik Haustechnik Fahrzeugkomponenten Manipulatoren Elektronenstrahl- und Laserbearbeitungsgeräte, Bonder, Beschichtungsanlagen, Repaeter Schreibmaschinen, Vervielfältigungsgeräte Bestrahlungs- Operationstechnik, Prothesen, künstliche Organe, Analysegeräte Kühlschränke Waschmaschinen, Staubsauger, Herde, Nähmaschinen Modellspielzeug, Mechanik-, Optik-, Elektronik- Baukästen, Spielautomaten Stelltechnik, Klimaanlage, Feinwerktechnik

20 Quelle: Gaggenau Hausgeräte Dampfbackofen

21 Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik? Feinwerktechnik hat andere Dimensionen! Feinwerktechnik ist stark interdisziplinär (Mechanik, Elektrotechnik, Elektronik, Optik,...)! Feinwerktechnik hat einen starken mechatronischen Charakter! Feinwerktechnik hat sehr heterogene, aber auch vielfältige Einsatzfelder! Feinwerktechnik hat zusätzlich andere Werkstoffe und Fertigungsverfahren! Warum Konstruktionslehre Feinwerktechnik

22 Bumerang für Tag der offenen Tür

23 Bumerang für Tag der offenen Tür

24 Was erwartet Sie im Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik? Konstruktionslehre Feinwerktechnik

25 Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) III Mechanische Funktionsgruppen - Achsen und Wellen - Lager (Gleit-, Wälz- und Sonderlager, aerostatische Lager) - Führungen - Getriebe, Zahnradgetriebe - Koppelgetriebe - Zahnriemengetriebe, andere Zugmittelgetriebe - Schraubengetriebe - Kupplungen Fertigungsgerechtes Gestalten - ausgewählte Fertigungsverfahren - Gestalten von Kunststoffkomponenten (Spritzguss) - Blechteile - Optik-Fassungen Ausgewählte Funktionsgruppen - Beispiele Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik III

26 Permanentmagnetisch erregter Gleichstrom- Hohlläufermotor für hochdynamische Positionieraufgaben mit angeflanschtem inkrementalem Geber mit stirnseitigem Umlaufräder-Getriebe Quelle: maxon motor Kleinmotor

27 Rillenkugellager Schrägkugellager Vierpunktlager Pendelkugellager Quelle: FAG-Katalog Radial-Kugellager

28 Lagerspalt in einem Sinterlager a) bei stillstehender Welle b) bei laufender Welle Quelle: Schunk Sintermetalltechnik Gleitlager / Sinterlager

29 Quelle: PMDM Plattenmotor im Festplattenlaufwerk

30 Quelle: PMDM Plattenmotor im Festplattenlaufwerk

31 Hydrodynamisches Gleitlager in einem Festplattenlaufwerk

32 Quelle: nach J. Schmidt: Luftlagerungen. und Mochel Luftlager/-führung mit poröser Buchse oder diskreten Düsen

33 Federparallelführung mit integrierten Festkörpergelenken

34 Quelle: Maxon Planetenradgetriebe für einen Kleinmotor

35 Quelle: Faulhaber Spielarme Stirnradstandgetriebe für Kleinmotoren

36 Bildquelle: Volvo Koppelgetriebe im Faltdach

37 Quelle: F&M 110(2002)10 Zuliefermarkt, S. 57; THK Ratingen Kugelgewindetrieb in Kugelkettentechnik

38 Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) III Mechanische Funktionsgruppen - Achsen und Wellen - Lager (Gleit-, Wälz- und Sonderlager, aerostatische Lager) - Führungen - Getriebe, Zahnradgetriebe - Koppelgetriebe - Zahnriemengetriebe, andere Zugmittelgetriebe - Schraubengetriebe - Kupplungen Fertigungsgerechtes Gestalten - ausgewählte Fertigungsverfahren - Gestalten von Kunststoffkomponenten (Spritzguss) - Blechteile - Optik-Fassungen Ausgewählte Funktionsgruppen der Messtechnik - Messkette, Kraftmess-, Längenmesstechnik Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik III

39 Quelle: IKFF Spritzguss: Werkzeug zur Entformungskraftmessung

40 Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) IV Elektromechanische Funktionsgruppen (mechatronische Komponenten) - Elektromagnetische Stelltechnik (Elektromagnete, Schrittmotoren) - Elektrodynamische Stelltechnik (rotatorische Gleichstrommotoren, Linearmotoren) - Stelltechnik auf Basis von Festkörpereffekten Optische Funktionsgruppen - Blenden, Luken, Pupillen, nötige Querschnitte in opt. FG - Konstruktion optischer Funktionsgruppen Konstruktionsmethodik - Ideenfindung - Geräteentwicklung - Entwicklungsablauf (VDI 2221, VDI/VDE 2422) (elektromechanischer Geräte mit Mikrorechnersteuerung) - Methoden des Konzipierens, Entwerfens, Ausarbeitens Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik IV

41 Hybrid - Schrittmotor am weitesten Verbreiteter Schrittmotortyp Quelle: SIG Positec Hybrid-Schrittmotor

42 Permanentmagnetisch erregter Gleichstrom- Hohlläufermotor für hochdynamische Positionieraufgaben mit angeflanschtem inkrementalem Geber mit stirnseitigem Umlaufräder-Getriebe Quelle: maxon motor Kleinmotor

43 ZF Automatgetriebe 8 Gang 8HP70H Mild Hybrid Quelle: Schmiede-Journal_März_2011 ZF Automatgetriebe 8 Gang Mild Hybrid

44 Piezo-Inline-Injektor Fa. Bosch für Diesel-Comman-Rail-Hochdruckeinspritzsysteme (1600 bar) Quelle: Bosch Piezo-Inline-Injektor Fa. Bosch

45 Quelle: Märklin Piezo-Mikrostossantrieb in einer Modelleisenbahn

46 Quelle: Elliptec, Dortmund Piezo-Mikrostossantrieb in Spielzeugen

47 Quelle: PI Karlsruhe Bi-Moden-Schwinger PI Karlsruhe

48 Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) IV Elektromechanische Funktionsgruppen (mechatronische Komponenten) - Elektromagnetische Stelltechnik (Elektromagnete, Schrittmotoren) - Elektrodynamische Stelltechnik (rotatorische Gleichstrommotoren, Linearmotoren) - Stelltechnik auf Basis von Festkörpereffekten Optische Funktionsgruppen - Blenden, Luken, Pupillen, nötige Querschnitte in opt. FG - Konstruktion optischer Funktionsgruppen Konstruktionsmethodik - Ideenfindung - Geräteentwicklung - Entwicklungsablauf (VDI 2221, VDI/VDE 2422) (elektromechanischer Geräte mit Mikrorechnersteuerung) - Methoden des Konzipierens, Entwerfens, Ausarbeitens Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik IV

49 Quelle: Storz Tuttlingen Endoskope

50 Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) IV Elektromechanische Funktionsgruppen (mechatronische Komponenten) - Elektromagnetische Stelltechnik (Elektromagnete, Schrittmotoren) - Elektrodynamische Stelltechnik (rotatorische Gleichstrommotoren, Linearmotoren) - Stelltechnik auf Basis von Festkörpereffekten Optische Funktionsgruppen - Blenden, Luken, Pupillen, nötige Querschnitte in opt. FG - Konstruktion optischer Funktionsgruppen Konstruktionsmethodik - Ideenfindung - Geräteentwicklung - Entwicklungsablauf (VDI 2221, VDI/VDE 2422) (elektromechanischer Geräte mit Mikrorechnersteuerung) - Methoden des Konzipierens, Entwerfens, Ausarbeitens Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik IV

51 Tintendruck vorzugsweise im Drop-on-Demand-Verfahren thermisches Verfahren mit Heizelement(en) mechanisches Verfahren mit Piezotechnik Quelle: FH Augsburg Tintenstrahldruck

52 Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen (Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern, Firma Canon in Bubblejet-Printer) Quelle: FH Augsburg -hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten -durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus Thermischer Tintenstrahldruck

53 Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen (Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern, Firma Canon in Bubblejet-Printer) Quelle: FH Augsburg -hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten -durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus Thermischer Tintenstrahldruck

54 Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen (Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern, Firma Canon in Bubblejet-Printer) Quelle: FH Augsburg -hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten -durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus Thermischer Tintenstrahldruck

55 Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen (Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern, Firma Canon in Bubblejet-Printer) Quelle: FH Augsburg -hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten -durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus Thermischer Tintenstrahldruck

56 Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen (Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern, Firma Canon in Bubblejet-Printer) Quelle: FH Augsburg -hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten -durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus Thermischer Tintenstrahldruck

57 Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen (Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern, Firma Canon in Bubblejet-Printer) Quelle: FH Augsburg -hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten -durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus Thermischer Tintenstrahldruck

58 Mechanisches Verfahren mit Piezorohr (Firma Epson) Quelle: FH Augsburg - Tintenbehälter durch Piezorohr unter Druck gesetzt, dieses verändert durch Spannung seine Größe - Der Druckkopf wird nicht mit jeder Tintenpatrone gewechselt, da die Herstellungskosten dieser Köpfe wesentlich höher sind. Sie sind wesentlich robuster und langlebiger ausgelegt als die der thermischen Variante. Piezoelektrischer Tintenstrahldruck

59 Mechanisches Verfahren mit Piezorohr (Firma Epson) Quelle: FH Augsburg - Tintenbehälter durch Piezorohr unter Druck gesetzt, dieses verändert durch Spannung seine Größe - Der Druckkopf wird nicht mit jeder Tintenpatrone gewechselt, da die Herstellungskosten dieser Köpfe wesentlich höher sind. Sie sind wesentlich robuster und langlebiger ausgelegt als die der thermischen Variante. Piezoelektrischer Tintenstrahldruck

60 Mechanisches Verfahren mit Piezorohr (Firma Epson) Quelle: FH Augsburg - Tintenbehälter durch Piezorohr unter Druck gesetzt, dieses verändert durch Spannung seine Größe - Der Druckkopf wird nicht mit jeder Tintenpatrone gewechselt, da die Herstellungskosten dieser Köpfe wesentlich höher sind. Sie sind wesentlich robuster und langlebiger ausgelegt als die der thermischen Variante. Piezoelektrischer Tintenstrahldruck

61 Zeichenwagen des Plotters HP 7550 A

62 Ansichten des Plotters HP 7550 A

63 Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) IV Elektromechanische Funktionsgruppen (mechatronische Komponenten) - Elektromagnetische Stelltechnik (Elektromagnete, Schrittmotoren) - Elektrodynamische Stelltechnik (rotatorische Gleichstrommotoren, Linearmotoren) - Stelltechnik auf Basis von Festkörpereffekten Optische Funktionsgruppen - Abbildungsgesetze, Linsen, Linsensysteme (Wdhlg.) - Funktionsgruppen, Blenden, Luken, Pupillen, Abbildungsfehler Konstruktionsmethodik - Ideenfindung - Geräteentwicklung - Entwicklungsablauf (VDI 2221, VDI/VDE 2422) (elektromechanischer Geräte mit Mikrorechnersteuerung) - Methoden des Konzipierens, Entwerfens, Ausarbeitens Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik IV

64 Konstruktionswettbewerb 2007 Eine Maschine soll einen Schalter betätigen! Konstruktionswettbewerb 2007

65 Konstruktionswettbewerb 2007

66 Quelle: IKFF Konstruktionswettbewerb 2000

67 Quelle: IKFF Konstruktionswettbewerb 2000

68 Konstruktionswettbewerb 2000

69 Quelle: IKFF Konstruktionswettbewerb 1999

70 Quelle: IKFF Konstruktionswettbewerb 2001

71 Konstruktionswettbewerb 2012 Weinlese Konstruktionswettbewerb 2012

72 Viel Spaß in der Konstruktionslehre Feinwerktechnik Dies ist keine Vorentscheidung für eine Studienrichtung oder für ein Hauptfach! Konstruktionslehre Feinwerktechnik