Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik Universität Stuttgart

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1 Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik Universität Stuttgart

2 Forschungsgebiete am IKFF Am Institut werden derzeit vier Forschungsschwerpunkte bearbeitet. Arbeitsgebiet. Schwerpunkte sind hier die konstruktive Gestaltung, die Berechnung von Systemen und die Simulation mit FEM. Ein fünftes Arbeitsgebiet zur Zuverlässigkeit mechatronischer Systeme ist im Aufbau. Die Arbeitsgebiete im Detail Im Arbeitsgebiet Aktorik stehen feinwerktechnische Direktantriebe, vorzugsweise für lineare Antriebsbewegungen, im Mittelpunkt. Neben elektrodynamischen Systemen bilden auch piezoelektrische Wanderwellenmotoren einen Arbeitsschwerpunkt. Feinwerktechnische Aktorik Entwicklung alternativer Antriebssysteme für die Feinwerktechnik auf der Basis elektrodynamischer Kraftwirkung bzw. von Festkörpereffekten (Elektrodynamische Linearmotoren, Piezowanderwellenmotoren). Berechnung von Antrieben, Simulation ihres dynamischen Verhaltens. Erarbeitung von Hilfsmitteln und Methoden zur Entwicklung alternativer Antriebssysteme. Entwicklung stark miniaturisierter Linearantriebe. Entwicklung ein- und mehrphasiger elektrodynamischer Linearantriebe mit integrierter Wegmessung. Entwicklung elektronischer Ansteuerungen unter Ausnutzung der integrierten Messsysteme. Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten poröser Materialien für aerostatische Lagerungen in Linearantrieben. Im Arbeitsgebiet Präzisionsspritzguss steht die Abformung von Präzisionsbauteilen mit sehr feinen Strukturen durch Spritzgießen im Vordergrund. Dabei wird neben der Bauteilkonstruktion und dem Formenbau insbesondere der Formfüllvorgang sowohl theoretisch als auch praktisch an zwei Spritzgießautomaten untersucht. Maßnahmen zur Verbesserung des Füllvorgangs, wie die variotherme Prozessführung durch induktive Formtemperierung, sowie die Erfassung von Entformungskräften, bildet derzeit den Schwerpunkt. Im Arbeitsgebiet optische und mechanische Sensorik werden ausgewählte Sensoren, beispielsweise zur Abstandsmessung und zur Oberflächenerfassung untersucht. Derzeit stellt die integrierte Wegsignalerfassung in Lineardirektantrieben den Schwerpunkt dar. Übergreifend bildet die produktbezogene Konstruktionsmethodik in der Feinwerktechnik ein viertes Präzisions-Spritzgießtechnologie Herstellung von Präzisionsbauteilen und Mikrostrukturen bis hin zu mikrotechnischen Bauelementen. Dynamische Formtemperierung zur Verbesserung des Formfüllverhaltens, insbesondere bei der Abformung mikrotechnischer Strukturen. Optimierung von Bauteilen zur Materialeinsparung mittels FE-Analysen. Ermittlung von Entformungskräften.

3 Messtechnik und Sensorik Mit dem Ziel, vorhandene Sensoren zu verbessern oder bekannte Messprinzipien technisch zu realisieren, werden folgende Aufgaben bearbeitet: Optische Sensoren zur Abstandsmessung auf der Basis des Triangulationsverfahrens. Faseroptische Sensoren für die energetische Abstandsmessung. Entwicklung luftgelagerter Miniatur-Linearachsen zur Profil- und Oberflächenanalyse, zur Mikro-Universalhärteprüfung sowie als Stoßantrieb zur Impulspositionierung. Entwicklung von integrierten Messsystemen zur Läuferpositionserfassung in ein- und mehrphasigen elektrodynamischen Lineardirektantrieben. Theorie des Konstruktionsprozesses Produktbezogene Konstruktionsmethoden in der Feinwerktechnik. Konstruktive Gestaltung unter Nutzung von 2D- und 3D-CAD. Simulation des Formfüllvorgangs beim Spritzgießen. Gekoppelte Feldberechnungen, beispielsweise elektro-magnetisch, elektro-magnetisch-thermisch, piezoelektrisch-dynamisch. Diese Antriebe können unter Nutzung interner sensorischer Eigenschaften auch mit einer integrierten Wegmessung ausgestattet werden. Piezoelektrische Lineardirektantriebe Das IKFF war mit eine der ersten Einrichtungen in Deutschland, die sich mit dem Thema Wanderwellenmotor befasst haben. Die Simulationstechniken wurden in den letzten Jahren durch die Einführung von gekoppelten Feldberechnungen mit FEM ständig verfeinert. Es können hiermit nun auch die Einflüsse der piezoelektrischen Schwingungserregung im Simulationsmodell berücksichtigt werden. Mit diesen Werkzeugen werden am IKFF Wanderwellenmotoren untersucht und entwickelt, um eine Basis für neue Anwendungsfelder zu schaffen, z.b. lineare Wanderwellenmotoren. Beispiele aus den Forschungsschwerpunkten Aktorik Elektrodynamische Antriebe mit integrierter Wegmessung Als Einstieg in die Nutzung elektrodynamischer Antriebsprinzipien wurden in den vergangenen Jahren am Institut verschiedene Aktoren auf der Basis bewegter Magnete als Läufer entwickelt, erprobt und zur Realisierung von Bewegungsaufgaben in verschiedenen Applikationen eingesetzt. Präzisionsspritzguss Die Spritzgießtechnologie in der Feinwerktechnik stellt einen weiteren Stützpfeiler des Instituts dar, der sich in Forschungsaktivitäten und intensiven Firmenkontakten niederschlägt. In den vergangenen Jahren wurde das Arbeitsgebiet in Richtung Mikrotechnik ausgeweitet. Variotherme Prozessführung mit Induktionserwärmung Bei Bauteilen mit dünnen Wandstärken und extremen Aspektverhältnissen sowie bei Mikrobauteilen muss beim Spritzgießen bei einer hohen Formtemperatur eingespritzt werden, damit es zu keinem vorzeitigen Einfrieren der Fließfront kommt. Am IKFF werden alternative Temperierungsverfahren untersucht, mit denen die Zykluszeiten im Gegensatz zu konventionellen Variothermverfahren deutlich reduziert werden können. Die Prinzipien basieren darauf, nur ein möglichst kleines Volumen der Form induktiv aufzuheizen, damit sowohl die Abkühl- als auch die Aufheizphase sehr kurz werden.

4 Untersuchung von Entformungskräften. In einem weiteren Projekt werden am IKFF die Entformungskräfte beim Spritzgießen in Abhängigkeit von Oberflächenrauheit und Beschichtung der Form sowie vom eingesetzten Kunststoff untersucht. Das Beschichten von Spritzgießwerkzeugen hat einen direkten Einfluss auf die Entformungskraft der Spritzlinge. Dabei kann durch eine geeignete Wahl der Werkzeugbeschichtung das Entfomungsverhalten verbessert werden. Zur Konstruktionsmethodik wird eine umfangreiche Baugruppen- bzw. Geräteentwicklung an einer etwas unkonventionellen Aufgabenstellung geübt. Die Lösung wird in Form eines in die Lehrveranstaltung integrierten Konstruktionswettbewerbs auch praktisch umgesetzt und im Vergleich zu anderen studentischen Lösungen erprobt. Lehrveranstaltungen im Rahmen des Hauptdiploms Maschinenwesen Grundlagen der Feinwerktechnik; Konstruktion und Fertigung Die Vorlesung behandelt Grundlagen der Entwicklung und Konstruktion feinwerktechnischer Systeme bzw. Geräte und betont dabei insbesondere den engen Zusammenhang zwischen konstruktiver Gestaltung und zugehöriger Fertigungstechnologie. Lehrveranstaltungen am IKFF Lehrveranstaltungen im Rahmen des Vordiploms Maschinenwesen Den Schwerpunkt bilden: Methodische Ansätze zur kreativen Lösungsfindung. Zuverlässigkeit und Sicherheit von Geräten, Genauigkeit und Fehlerverhalten in Geräten, Toleranzrechnung. Schwingungsdämpfung und Lärmminderung in der Feinwerktechnik, Beziehungen Gerät Umwelt. Kunststofftechnologie und -anwendung in der Feinwerktechnik (Werkstoff, Verfahren, Konstruktion, Werkzeugkonstruktion). Konstruktionslehre III (Feinwerktechnik) Mechanische Funktionsgruppen: Achsen, Wellen, Lager, Führungen, Getriebe, Zahnradgetriebe, Verzahnungen und Kenngrößen, Koppelgetriebe, Zugmittelgetriebe, Schraubengetriebe, Gestaltung ausgewählter mechanischer Funktionsgruppen. Funktionsgruppen der Messtechnik. Konstruktionslehre IV (Feinwerktechnik) Mechanische Funktionsgruppen: Bauformen und Berechnung von Kupplungen. Elektromechanische Funktionsgruppen: Elektromagnetische, elektrodynamische Stelltechnik, Aktorik auf Basis von Festkörpereffekten. Optische Funktionsgruppen. Gerätebau/Konstruktionsmethodik. Aktorik in der Feinwerktechnik I/II Die Vorlesung beleuchtet ausgewählte Aspekte der Entwicklung und Konstruktion feinwerktechnischer Systeme. Behandelt werden vorwiegend feinwerktechnische Antriebssysteme (Aktorik) unterschiedlichster Wirkprinzipien. Den Schwerpunkt bilden: Piezoelektrische und magnetostriktive Stelltechnik. Elektromagnetische Stelltechnik (rotatorische und lineare Schrittmotoren). Elektrodynamische Stelltechnik (rotatorische und lineare Gleichstromkleinstmotoren). Magnettechnik, -technologie (Werkstoffe, Verfahren, konstruktive Auslegung, Magnetisierung). Beispiele zur Realisierung feinwerktechnischer Antriebssysteme.

5 Geschichte des IKFF Am 1. April 1967 wurde mit der Berufung von Herrn Dr.-Ing. Heinrich Stabe auf den Konstruktionslehrstuhl C an der Universität Stuttgart der Grundstein für das heutige Institut gelegt. Vorausgegangen waren Überlegungen ab etwa Mai 1962 mit dem Ziel, in Stuttgart einen feinwerktechnischen Schwerpunkt zu bilden; bestehend aus dem Uhreninstitut, heute Institut für Zeitmesstechnik, Fein- und Mikrotechnik, dem Institut für Technische Optik und dem neu gegründeten Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik - IKFF. Die Aufbauphase Die Aufbauphase des IKFF begann im Kollegiengebäude II (K II) in der Keplerstraße 17, im 8. Obergeschoß, 2 auf einer Fläche von ca. 500 m. Emeritierung von Herrn Stabe und Berufung von Herrn Jung - die zweite Phase der Institutsgeschichte Herr Dipl.-Ing. Jung wurde am 1. März 1977 an das Institut berufen. Die Arbeitsziele, die Herr Jung sich und dem Institut damals steckte, beinhalteten: - Konstruktionstheorie mechanischer und elektromechanischer Funktionsgruppen und Geräte, - optische Bearbeitung, - Sensorik, insbesondere Objekt- und Lageerkennung von Werkstücken, - Prüfung feinmechanischer Bauelemente, - korrosionsschutzgerechte Konstruktion in der Feinwerk- und Elektrotechnik, - sowie die Spritzgießtechnologie, speziell für die Anwendung auf feinmechanische Bauelemente. Mitte 1977 folgte der Umzug von der Keplerstraße, in der die Mitarbeiter bisher recht verstreut saßen, in den Pfaffenwaldring 9 nach Vaihingen. Erstmals war das Institut geschlossen auf einer Etage untergebracht. Die Institutsausstattung wurde erheblich verbessert, durch Anschaffung einer Spritzgießmaschine, eines Rasterelektronenmikroskops, eines Tastschnittgeräts und des ersten Rechners PDP 11. Die Hauptspeicherkapazität dieses Rechners lag bei 64 kbyte, die Wechselplattenkapazität bei 10 MByte, ein Bruchteil heutiger Rechner. Großen Anklang fanden im Jahr 1980 auch die Arbeiten am Rasterelektronenmikroskop. Weiterentwicklungen sowie zusätzliche eigene apparative Ausstattungen ermöglichten erstmalig in Europa REM-Aufnahmen von unpräparierten, nichtmetallischen Oberflächen. In den folgenden Jahren ergab sich eine gewisse Umorientierung des Instituts hin zu Industrieaufträgen. Neben den Forschungsschwerpunkten Rasterelektronenmikroskopie, Oberflächenabtastung und Spritzgiessen kamen Projekte aus der Medizintechnik hinzu. Aufgenommen wurden auch Arbeiten zur mechanischen und optischen Sensorik als weiterer Arbeitsschwerpunkt des Institutes. Ende der 80er Jahre wurde die Institutsausstattung durch eine CNC-Fräsmaschine ergänzt. Damit war nun für die Herstellung von Spritzgießformen eine durchgehende Kette vom CAD-Entwurf über die CNC-Herstellung, Überprüfen auf der Koordinatenmessmaschine bis zum Abspritzen realisierbar. Emeritierung von Herrn Jung und Berufung von Herrn Schinköthe - das Institut heute Im Jahre 1993 gelang schließlich die schon Jahre zuvor angestrebte Verstärkung des Institutes durch eine vorgezogene Nachfolge mit der Berufung von Herrn Dr.-Ing. Wolfgang Schinköthe und seinem Dienstantritt am 1. Mai Dies ermöglichte einen kontinuierlichen Übergang in der Institutsleitung und in den Lehr- und Forschungsarbeiten des Instituts. Im Hauptdiplom erfolgte eine Neuprofilierung der Lehrveranstaltungen mit zwei Schwerpunkten, der Gerätekonstruktion als methodisch orientierter Linie und der feinwerktechnischen Aktorik als konkret forschungsund entwicklungsorientierter Linie. Im Vordiplom wurde, beginnend im Jahre 1993, am Institut auch eine neue Initiative ergriffen, um die Lehrveranstaltungen für die Studenten noch attraktiver zu gestalten. Durch Konstruktionswettbewerbe zum Tag der offenen Tür, bei denen studentische Konstruktionen im Wettkampf gegeneinander antreten, können Studenten die Probleme der praktischen Umsetzung einer konstruktiven Lösung am eigenen Leibe erfahren. In der Forschung erfolgte eine Konzentration des Instituts auf die Arbeitsgebiete Aktorik, Präzisionsspritzguss, Sensorik und Konstruktionsmethodik, wie oben dargestellt.

6 Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik Universität Stuttgart Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik Universität Stuttgart Pfaffenwaldring Stuttgart Tel.: +49-(0)711/ Fax: +49-(0)711/ ikff@ikff.uni-stuttgart.de Internet: Leitung: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schinköthe