Ultraschalltechnik für industrielle Produktion, Medizin- und Automobiltechnik
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- Manfred Fürst
- vor 6 Jahren
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1 Ultraschalltechnik für industrielle Produktion, Medizin- und Automobiltechnik Übersicht zur Vorlesung im Sommersemester 2018 am Institut für Dynamik und Schwingungen Leibniz Universität Hannover Dr.-Ing. Walter Littmann, ATHENA Technologie Beratung GmbH ATHENA Technologie Beratung GmbH 2018
2 ATHENA Technologie Beratung GmbH Gründung 2001 als Spin-off des Heinz Nixdorf Instituts (Paderborn) Partner in Fragen von Innovation und Technologie in den Natur- und Ingenieurwissenschaften, insb. in den Bereichen Technologie- und Innovationsmanagement Strategisches Patentmanagement Maschinenbau Elektrotechnik und Elektronik Mechatronik Technologieentwicklung und Engineering ATHENA Technologie Beratung GmbH 2018
3 ATHENA - Technologieentwicklung und Engineering Methodische Produktentwicklung Entwicklung von Lösungsprinzipien und Konzepten Systematische Bewertung von Chancen und Risiken Aufbau und Erprobung von Technologie-Demonstratoren und Funktionsprototypen (insb. Piezo- und Ultraschalltechnik) Modellierung und Simulation dynamischer Vorgänge, z. B. Schwingungen in Bauteilen Dynamik von Antrieben Strukturschwingungen von Ultraschallwandlern U I C 0 m i n i d i 1: ATHENA Technologie Beratung GmbH 2018
4 Dozent: Dr.-Ing Walter Littmann Lebenslauf und aktuelle Tätigkeit Studium: Maschinenbau (Konstruktion) an der Universität Paderborn Promotion am Heinz Nixdorf Institut, Arbeitsgruppe Mechatronik und Dynamik (wissenschaftlicher Mitarbeiter 1997 bis 2003) Titel der Dissertation: Piezoelektrische, resonant betriebene Ultraschall-Leistungswandler mit nichtlinearen mechanischen Randbedingungen Seit 2004 Leitung der Technischen Entwicklung der ATHENA Technologie Beratung GmbH Haupttätigkeit: Entwicklung von Prototypen der Piezo- und Ultraschalltechnik für industrielle Kunden; Beratungsdienstleistungen Mechatronik Benannt als Erfinder in zahlreichen Patentschriften industrieller Partnerfirmen sowie Autor wissenschaftlicher Veröffentlichungen ATHENA Technologie Beratung GmbH 2018
5 Ultraschall in Natur und Technik 20 khz: Hörschwelle des Menschen Tierwelt: Fledermäuse (Ortung) Technik: Echolot ( Fischfinder ) Natur und Technik [ [ ATHENA Technologie Beratung GmbH
![05/2011] Einparkhilfesystem [Robert Bosch](/docs-images/80/80448372/images/6-1.jpg "GmbH] [TCM] ATHENA Technologie Beratung GmbH")
6 Piezosensorik Abstandsmessung (Handgerät) Park Assist (Automotive- Anwendung) [Auto und Reise 05/2011] Einparkhilfesystem [Robert Bosch GmbH] [TCM] ATHENA Technologie Beratung GmbH
![Transformator Scaler [Sirona]](/docs-images/80/80448372/images/7-2.jpg "Füllstandssensor [Motometer] Motor für")
![Zoomfunktion [Canon] Transformator](/docs-images/80/80448372/images/7-3.jpg "[Noliac] Common-Rail-Aktor [Siemens]")
7 Klassifizierung Piezosysteme nach Funktionalität Aktor Sensor Motor Transformator Scaler [Sirona] Füllstandssensor [Motometer] Motor für Zoomfunktion [Canon] Transformator [Noliac] Common-Rail-Aktor [Siemens] ATHENA Technologie Beratung GmbH
8 Ultraschallanwendungen nach Frequenzen Reinigen, Schweißen, Schneiden Einparksensoren, Transformatoren, Motoren Zahnsteinentfernung, Chirurgie Drahtbonden 20 khz 100 khz Werkstoffprüfung Medizin-Diagnostik, HIFU 1 MHz Piezoelektrische Filter (SAW, FBAR) 1 GHz ATHENA Technologie Beratung GmbH
9 Ultraschallaktorik (20 bis 100 khz) Zahnsteinentfernung Zerstäubung Plasmaerzeugung [Sirona] Piezo-Transformator mit CCFL-Lampe [Reinhausen Plasma] Kfz-Einparkhilfe Schneiden / Schweißen [Ceramtec] [Ceramtec] ATHENA Technologie Beratung GmbH
![GmbH] Aufgabe: Elektrisch-mechanische Energiewandlung Anregung einer](/docs-images/80/80448372/images/10-1.jpg "Resonanzschwingung (l/2-längsschwingung) ATHENA Technologie Beratung")
10 Herzstück: Konverter Amplitudenverteilung der Normalspannung Amplitudenverteilung der Auslenkung [ATHENA Technologie Beratung GmbH] Aufgabe: Elektrisch-mechanische Energiewandlung Anregung einer Resonanzschwingung (l/2-längsschwingung) ATHENA Technologie Beratung GmbH
11 Systementwicklung: Schritt für Schritt Entwurf Konstruktion Analyse (FEM) W ( r) r r 1 h r C J k r C I k r W Aufbau Messtechnische Untersuchung ATHENA Technologie Beratung GmbH
12 Mechatronische Systeme Beispiel Ultraschall-Levitation Warum kann eine CD auf einem Ultraschallfeld schweben? Akustik Wie schwingt das Ultraschallwerkzeug? Wie ist es aufgebaut? Strukturmechanik Wie erfolgt die Umwandlung elektrischer in mechanische Schwingungsenergie? Elektromechanik Wie funktioniert ein Ultraschallgenerator? Regelungstechnik / Leistungselektronik Alle Disziplinen spielen zusammen! Mechatronisches Gesamtsystem! ATHENA Technologie Beratung GmbH
13 Leitfragen Auswahl typischer Fragen an Forschung und Entwicklung Auf welchen elektromechanischen Grundlagen basiert die Piezo- und Ultraschalltechnik und wie lassen sie sich in Modellen beschreiben? Wie dimensioniert man Piezo- und Ultraschallwandler systematisch und welche rechnerbasierten Methoden sind wann sinnvoll einsetzbar? Welche Rahmenbedingungen für Gerätekonzepte gibt es in Anwendungen der Medizintechnik, im Automotive-Bereich, in der Nahrungsmitteltechnik, in der industriellen Produktion,? Was folgt daraus für Materialien und Geometrien von Sensoren und Aktoren in den entsprechenden Anwendungen? Welche Frequenzen sind für welche Aktorik- und sensorikanwendungen günstig und warum (quasistatisch bis MHz-Bereich)? Welche leistungselektronischen und regelungstechnischen Konzepte verfolgt man zur Entwicklung elektrischer Ansteuerungssysteme? ATHENA Technologie Beratung GmbH
14 Entwicklungsmethoden Grundlegende Hypothesen Die Entwicklung innovativer Systeme der Piezo- und Ultraschalltechnik gelingt nicht allein durch intuitives, experimentelles Vorgehen. Sie gelingt auch nicht allein auf Basis mathematisch-theoretischer Methoden, da sie stets auf idealisierten Modellvorstellungen basieren. Systematisch-effiziente Entwicklungen gelingen durch Verwendung theoretischer und experimenteller Methoden in ausgewogener Balance! Vorlesungen und Übungen vermitteln daher Theoretische Grundlagen elektromechanischer Systeme und darauf basierende Entwicklungsstrategien Beispielaufgaben zur Anwendung von Materialkennwerten und Ersatzmodellen sowie numerischer Simulationstechniken zur Systemanalyse Praktische Laborübungen zum systematischen Einstieg in die spannende Welt experimenteller Methoden ATHENA Technologie Beratung GmbH
15 Übersicht: Aufbau der Vorlesung Ultraschall in Industrie-, Automobil- und Medizintechnik Einleitung Abschnitt 1: Grundlagen der Piezotechnik Abschnitt 2: Passive Wellenleiter Abschnitt 3: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 4: Prozesse mit Reibung und Kontakt Abschnitt 5: Prozesse in Luft und Wasser Abschnitt 6: Impuls-Echo-Sensorik Abschnitt 7: Elektrische Ansteuerung Abschnitt 8: Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Abschnitt 9: Transiente Vorgänge ATHENA Technologie Beratung GmbH
16 Grundlagen Piezotechnik Piezokeramik als elektromechanischer Werkstoff Verformungsverhalten ähnlich wie Holz Piezo: So steif wie Alu, so schwer wie Stahl stimmt das? Orthotropie von Holz (Bild: Wikipedia) Linearisiertes Materialgesetz S = s E T + d t E D = d T + e T E ATHENA Technologie Beratung GmbH
17 Übersicht: Aufbau der Vorlesung Ultraschall in Industrie-, Automobil- und Medizintechnik Einleitung Abschnitt 1: Grundlagen der Piezotechnik Abschnitt 2: Passive Wellenleiter Abschnitt 3: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 4: Prozesse mit Reibung und Kontakt Abschnitt 5: Prozesse in Luft und Wasser Abschnitt 6: Impuls-Echo-Sensorik Abschnitt 7: Elektrische Ansteuerung Abschnitt 8: Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Abschnitt 9: Transiente Vorgänge ATHENA Technologie Beratung GmbH
18 Passive Wellenleiter: Modellbildung v(x) F 1 v 1 c E r Z r c A F 2 v 2 1 x/l V Z 1 Z 1 1 V 2 F 1 Z 2 F 2 Gültigkeitsbereich des Ersatzsystems V 1 F 1 m e n e ATHENA Technologie Beratung GmbH
19 Dämpfung bei Resonanzschwingern Dämpfung beeinflusst maßgeblich Leistungsbedarf von Aktoren und Sensoren Einschwingdauer (insbes. für Sensoren von Interesse) Aber: Was weiß man eigentlich über Dämpfung in der Mechanik? Resonator mit Dämpfung Im{ Y( W)} w 1 V m Dichte 1/(2d) w n E-Modul Re{ Y( W) } F d?? w 2 ATHENA Technologie Beratung GmbH
20 Übersicht: Aufbau der Vorlesung Ultraschall in Industrie-, Automobil- und Medizintechnik Einleitung Abschnitt 1: Grundlagen der Piezotechnik Abschnitt 2: Passive Wellenleiter Abschnitt 3: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 4: Prozesse mit Reibung und Kontakt Abschnitt 5: Prozesse in Luft und Wasser Abschnitt 6: Impuls-Echo-Sensorik Abschnitt 7: Elektrische Ansteuerung Abschnitt 8: Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Abschnitt 9: Transiente Vorgänge ATHENA Technologie Beratung GmbH
21 Piezoelektrische Systeme x u( x) v( x) u X = L N( x) i F 1 F 2 v 1 v 2 I V 1 Z 1 Z 1 V 2 I Z 2 m i U C 0 n i F 1 U C 0 1: F 2 1: d i ATHENA Technologie Beratung GmbH
22 Messungen an piezoelektrischen Systemen I Piezo voltage current probe U C 0 m i n i d i Y el é Aù ê ú ëv û 1: base GPIB impedance analyzer f [ Hz] Vee pro In Out power amplifier j el f [ Hz] ATHENA Technologie Beratung GmbH
23 Übersicht: Aufbau der Vorlesung Ultraschall in Industrie-, Automobil- und Medizintechnik Einleitung Abschnitt 1: Grundlagen der Piezotechnik Abschnitt 2: Passive Wellenleiter Abschnitt 3: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 4: Prozesse mit Reibung und Kontakt Abschnitt 5: Prozesse in Luft und Wasser Abschnitt 6: Impuls-Echo-Sensorik Abschnitt 7: Elektrische Ansteuerung Abschnitt 8: Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Abschnitt 9: Transiente Vorgänge ATHENA Technologie Beratung GmbH
24 Prozesse mit Kontakt und Reibung Schneiden mit Ultraschall [Herrmann Ultraschalltechnik GmbH] Kaltschmelztechnologie [Adolf Würth GmbH] ATHENA Technologie Beratung GmbH
25 Pulvermanipulation durch Ultraschall Lasermessung von Ultraschallvibrationen v rad Aktor Scanfläche Fließtransport von Mehl Akustische Zerstäubung von Mehl ATHENA Technologie Beratung GmbH
26 Übersicht: Aufbau der Vorlesung Ultraschall in Industrie-, Automobil- und Medizintechnik Einleitung Abschnitt 1: Grundlagen der Piezotechnik Abschnitt 2: Passive Wellenleiter Abschnitt 3: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 4: Prozesse mit Reibung und Kontakt Abschnitt 5: Prozesse in Luft und Wasser Abschnitt 6: Impuls-Echo-Sensorik Abschnitt 7: Elektrische Ansteuerung Abschnitt 8: Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Abschnitt 9: Transiente Vorgänge ATHENA Technologie Beratung GmbH
27 Wasserschall / Kavitationseffekte Ultraschallreinigung, 30 khz Zerstäubung (Geysir, 800 khz) ATHENA Technologie Beratung GmbH
28 Übersicht: Aufbau der Vorlesung Ultraschall in Industrie-, Automobil- und Medizintechnik Einleitung Abschnitt 1: Grundlagen der Piezotechnik Abschnitt 2: Passive Wellenleiter Abschnitt 3: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 4: Prozesse mit Reibung und Kontakt Abschnitt 5: Prozesse in Luft und Wasser Abschnitt 6: Impuls-Echo-Sensorik Abschnitt 7: Elektrische Ansteuerung Abschnitt 8: Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Abschnitt 9: Transiente Vorgänge ATHENA Technologie Beratung GmbH
![[Tchibo] Impuls Echo ATHENA](/docs-images/80/80448372/images/29-1.jpg "Technologie Beratung GmbH 2018")
29 Ultraschallsensoren Impulsecho Dopplereffekt [Kuttruff 1988] [Tchibo] Impuls Echo ATHENA Technologie Beratung GmbH
30 Übersicht: Aufbau der Vorlesung Ultraschall in Industrie-, Automobil- und Medizintechnik Einleitung Abschnitt 1: Grundlagen der Piezotechnik Abschnitt 2: Passive Wellenleiter Abschnitt 3: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 4: Prozesse mit Reibung und Kontakt Abschnitt 5: Prozesse in Luft und Wasser Abschnitt 6: Impuls-Echo-Sensorik Abschnitt 7: Elektrische Ansteuerung Abschnitt 8: Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Abschnitt 9: Transiente Vorgänge ATHENA Technologie Beratung GmbH
31 Flexible elektrische Ansteuerung Resonanzregelung Wirkleistung / W 10 0 Zeit / s Zeit / s Amplitudenmessung ATHENA Technologie Beratung GmbH
32 Elektrische Ansteuerung Signalerzeugung: Generierung einer Referenzsignals mit gewünschter Frequenz aber nur kleiner Spannungsamplitude Leistungsstufe: Filterung: Regelung: Verstärkung des Referenzsignal Unterdrückung unerwünschter Oberschwingungen Nachführung der Frequenz, Amplitudenregelung Leistungsstufe Signalerzeugung Filter Ultraschall- Werkzeug Regelung Verstärker ATHENA Technologie Beratung GmbH
33 Übersicht: Aufbau der Vorlesung Ultraschall in Automotive-, Industrie- und Medizintechnik Einleitung Abschnitt 1: Grundlagen der Piezotechnik Abschnitt 2: Passive Wellenleiter Abschnitt 3: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 4: Prozesse mit Reibung und Kontakt Abschnitt 5: Prozesse in Luft und Wasser Abschnitt 6: Impuls-Echo-Sensorik Abschnitt 7: Elektrische Ansteuerung Abschnitt 8: Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Abschnitt 9: Transiente Vorgänge ATHENA Technologie Beratung GmbH
![[Noliac] [Energy Harvesting: Siemens VDO /](/docs-images/80/80448372/images/34-2.jpg "Conti 2007] ATHENA Technologie Beratung GmbH")
34 Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Motor für Zoomfunktion [Canon] Transformator [Noliac] [Energy Harvesting: Siemens VDO / Conti 2007] ATHENA Technologie Beratung GmbH
35 Übersicht: Aufbau der Vorlesung Ultraschall in Industrie-, Automobil- und Medizintechnik Einleitung Abschnitt 1: Grundlagen der Piezotechnik Abschnitt 2: Passive Wellenleiter Abschnitt 3: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 4: Prozesse mit Reibung und Kontakt Abschnitt 5: Prozesse in Luft und Wasser Abschnitt 6: Impuls-Echo-Sensorik Abschnitt 7: Elektrische Ansteuerung Abschnitt 8: Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Abschnitt 9: Transiente Vorgänge ATHENA Technologie Beratung GmbH
36 Einschwingvorgänge und Lastwechsel ATHENA Technologie Beratung GmbH
37 Zusammengefasst also Die Vorlesung vermittelt: Theoretische und experimentelle Methoden, die für das Verständnis und für die Entwicklung von Piezo- und Ultraschallsystemen benötigt werden. Zahlreiche Anwendungsbeispiele aus der Industriellen Produktion, der Medizintechnik und aus dem Automotive-Bereich schlagen den Bogen von der Theorie zur praktischen Anwendung. Viel Spaß! ATHENA Technologie Beratung GmbH
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