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    Design and characterization of a planar motor drive platform based on piezoelectric hemispherical shell resonators
    (2021) Schiele, Frank; Gundelsweiler, Bernd
    In this study, a planar ultrasonic motor platform is presented that uses three half-side excited piezoelectric hemispherical shell resonators. To understand the working principle and the harmonic vibration behavior of the piezoelectric resonator, the trajectory of the friction contact was measured in free-oscillating mode at varying excitation frequencies and voltages. The driving performance of the platform was characterized with transport loads up to 5 kg that also serve as an influencing downforce for the friction motor. The working range for various transport loads and electrical voltages up to 30 V is presented. Undesirable noise and parasitic oscillations occur above the detected excitation voltage ranges, depending on the downforce. Therefore, minimum and maximum values of the excitation voltage are reported, in which the propulsion force and the speed of the planar motor can be adjusted, and noiseless motion applies. The multidimensional driving capacity of the platform is demonstrated in two orthogonal axes and one rotary axis in open-loop driving mode, by measuring forces and velocities to confirm its suitability as a planar motor concept. The maximum measured propulsion force of the motor was 7 N with a transport load of 5 kg, and its maximum measured velocity was 77 mm/s with a transport load of 3 kg.
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    Wegmess-System für Miniatur-Linearmotoren (SensMiLi)
    (2012) Wibbing, Daniel; Schinköthe, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing)
    Es wird ein neuartiges Prinzip für ein optisch absolut codiertes Wegmess-System vorgestellt, das auf der Beugung von Licht beruht. Optimiert für die Integration in Miniatur-Linearmotoren soll es diese zu hochdy- namischen, mikrometergenauen Bewegungen in Reinräumen befähigen. Zum ersten Mal wird gezeigt wie q-näre Pseudo-Zufalls-Sequenzen durch optische Beugung codiert werden können und so u.a. Verbesserungen bzgl. Code-Effizienz und Integrationsfähigkeit ermöglichen.
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    Soft tooling-friendly inductive mold heating - a novel concept
    (2021) Vieten, Tobias; Zanin, Davide; Knöller, Andrea; Litwin, Thomas; Eberhardt, Wolfgang; Zimmermann, André
    In order to economize injection molded prototypes, additive manufacturing of, e.g., curable plastics based tools, can be employed, which is known as soft tooling. However, one disadvantage of such tools is that the variothermal process, which is needed to produce polymeric parts with small features, can lead to a shorter lifespan of the tooling due to its thermally impaired material properties. Here, a novel concept is proposed, which allows to locally heat the mold cavity via induction to circumvent the thermal impairment of the tooling material. The developed fabrication process consists of additive manufacturing of the tooling, PVD coating the mold cavity with an adhesion promoting layer and a seed layer, electroplating of a ferromagnetic metal layer, and finally patterning the metal layer via laser ablation to enhance the quality and efficiency of the energy transfer as well as the longevity by geometric measures. This process chain is investigated on 2D test specimens to find suitable fabrication parameters, backed by adhesion tests as well as environmental and induction tests. The results of these investigations serve as proof of concept and form the base for the investigation of such induction layers in actual soft tooling cavities.
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    Adhesion-induced demolding forces of hard coated microstructures measured with a novel injection molding tool
    (2023) Schoenherr, Maximilian; Ruehl, Holger; Guenther, Thomas; Zimmermann, André; Gundelsweiler, Bernd
    The demolding of plastic parts remains a challenging aspect of injection molding. Despite various experimental studies and known solutions to reduce demolding forces, there is still not a complete understanding of the effects that occur. For this reason, laboratory devices and in-process measurement injection molding tools have been developed to measure demolding forces. However, these tools are mostly used to measure either frictional forces or demolding forces for a specific part geometry. Tools that can be used to measure the adhesion components are still the exception. In this study, a novel injection molding tool based on the principle of measuring adhesion-induced tensile forces is presented. With this tool, the measurement of the demolding force is separated from the actual ejection step of the molded part. The functionality of the tool was verified by molding PET specimens at different mold temperatures, mold insert conditions and geometries. It was demonstrated that once a stable thermal state of the molding tool was achieved, the demolding force could be accurately measured with a comparatively low force variance. A built-in camera was found to be an efficient tool for monitoring the contact surface between the specimen and the mold insert. By comparing the adhesion forces of PET molded on polished uncoated, diamond-like carbon and chromium nitride (CrN) coated mold inserts, it was found that a CrN coating reduced the demolding force by 98.5% and could therefore be an efficient solution to significantly improve demolding by reducing adhesive bond strength under tensile loading.
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    Optimierung eines piezoelektrisch erregten linearen Wanderwellenmotors
    (2006) Haug, Jens; Schinköthe, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)
    In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Optimierungsmöglichkeiten und -methoden am Beispiel eines linearen Wanderwellenmotors angewandt. Im Vordergrund des Interesses stand dabei nicht unbedingt, nur diese eine Bauform eines Wanderwellenmotors in ihrer Entwicklung voran zu treiben, sondern für viele vergleichbare Motoren hilfreiche Techniken zu erarbeiten. Die meisten der beschriebenen Optimierungen sind daher auf andere, auch auf rotatorische Wanderwellenmotoren übertragbar, manche sind auch für sonstige Piezoantriebe nützlich. Als Ausgangspunkt diente ein bereits vorhandenes Labormuster eines linearen Wanderwellenmotors. Hierauf aufbauend wurde ein praxisnaher Prototyp entworfen, z. T. simuliert, aufgebaut und getestet. Der Systemgedanke spielte eine große Rolle in dieser Arbeit. Ein Piezomotor als mechanische Einheit ist an sich noch nicht ohne weiteres nutzbar, da für Wanderwellenmotoren leider keine Standard-Ansteuerungen verfügbar sind. Für einen Einsatz als Positionierantrieb sind darüber hinaus auch Fragen der Anbindung an übergeordnete Rechnersysteme, der Integration von Wegmesssystemen usw. relevant. Insgesamt ergaben sich hieraus Aufgaben aus den Bereichen Software, analoge und digitale Signalverarbeitung, Leistungselektronik, Filterung von Leistungssignalen, Gestaltung von resonanten piezoelektrischen Wandlern und mechanischen Schwingern, reibschlüssige Kraftübertragung bis hin zum spielfreien und steifen Bewegungsabgriff. Der verwendete Microcontroller ist in seiner Leistungsfähigkeit für den Zweck der Signalerzeugung und die Anbindung an übergeordnete Rechnersysteme bzw. an eine Benutzerschnittstellen gerade ausreichend. Mit Hilfe peripherer Elektronik kann er Messwerte von ausgegebener Spannung und aufgenommenem Strom aus der Leistungs-Endstufe verarbeiten und hieraus die geeignete Arbeitsfrequenz für den Motor ableiten. Die vom Microcontroller ausgegebenen Signale zur Ansteuerung der Piezokeramik werden von einer relativ konventionellen schaltenden Endstufe auf rund 50 V verstärkt. Diese Leistungssignale werden gefiltert, indem eine zusätzliche Induktivität, eine zusätzliche Kapazität, ein Übertrager (1:5) und die Kapazität der Piezokeramik einen Bandpass bilden. Dieser Bandpass ist sehr unempfindlich gegenüber Änderungen der Arbeitsfrequenz und gegenüber Drift der Bauteilwerte. Durch die primärseitige Anbringung der zusätzlichen Filterbauteile ergeben sich verringerte Verluste im Übertrager. Im Gegensatz zu anderen Wanderwellenmotoren sind die Piezokeramik-Elemente nicht in halben, sondern in viertel Wellenlängen strukturiert. Durch diese Labda/4-Segmentierung und eine Anbringung auf beiden Seiten des Aluminiums im Anregungsbereich erhöhen sich die erreichbaren Schwingungsamplituden um mehr als Faktor 3 auf rund 7 µm. Bei derart starken Schwingungen sind allerdings manuell angebrachte Lötstellen auf der Piezokeramik am Prototypen nicht dauerhaft haltbar, weshalb eher verhalten angesteuert bzw. eine stark verkürzte Lebensdauer hingenommen werden musste. Als Leitermaterial kam aus dem gleichen Grund Federbronze (CuSn6 nach DIN EN 12166) zur Anwendung. Durch verbesserte FEM-Modelle gelang es, eine bessere Übereinstimmung zwischen Simulation und Realität zu erzielen. Die verwendeten orthogonalen Moden von früher 190 Hz Differenz wurden auf nur noch 50 Hz aneinander angenähert. Der Läufer des wurde ebenfalls in FEM-Simulationen optimiert. Einer gleichmäßigen Verteilung der Anpresskraft unter dem Reibbelag ist hinsichtlich des Abtriebsverhaltens besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Hierdurch und durch die Wahl eines geeigneten Reibbelages konnte die Anpresskraft und damit die erreichbare Vorschubkraft deutlich gesteigert werden, ohne schädliche Nebeneffekte wie Geräuschentwicklung oder ungleichmäßigen Lauf hinnehmen zu müssen. Auch die Steifigkeit in Vorschubrichtung bei gleichzeitig möglichst leichter Bauweise war Teil der Optimierung. Die im Betrieb zu erwartenden Deformationen des Läuferrahmens liegen daher unter nur 5 µm. Trotzdem konnte die bewegte Masse von rund 45 g auf 35 g reduziert werden. Insgesamt wurde die Haltekraft im unbestromten Zustand von unter 4 N auf 14 N mehr als verdreifacht. Die Blockierkraft stieg von 3,7 N auf 6,7 N um über 80 %. War früher die Beschleunigung stets bei rund 6 g, so trifft dieser Wert nun nur noch für das Anfahren aus dem unbestromten Stillstand zu, da hier prinzipbedingt erst ein Einschwingen des Stators stattfinden muss. Bei Fahrtrichtungswechsel dagegen verzögert der optimierte Prototyp zunächst mit 20 g und beschleunigt anschließend mit 11 g in Gegenrichtung. Dies entspricht ebenfalls einer Verdreifachung bzw. einer knappen Verdoppelung der vorherigen Werte. Mit einer Zusatzmasse von 100 g belastet verbleiben noch 7 g gegenüber vorher unter 2 g, also auch hier über dreifache Steigerung. Die Leerlaufgeschwindigkeit wurde von früher 630 mm/s um 11 % auf jetzt 700 mm/s gesteigert.
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    Hybrid solenoids based on magnetic shape memory alloys
    (2023) Mauch, Manuel; Hutter, Marco; Gundelsweiler, Bernd
    The mobility of today and tomorrow is characterized by technological change and new challenges in drive concepts such as electric or hydrogen vehicles. Abolishing conventional combustion engines creates even more need for switching or valve technology in mobility systems. For switching and controlling purposes, solenoids are used in large numbers and in a wide variety of applications, thus making a significant contribution to the overall success of the energy transition, and not only in the automotive sector. Despite their long existence, continued research is being carried out on solenoids involving new materials and actuator concepts. Great interest is focused on providing an adjustable force-displacement characteristic while simultaneously reducing the noise during switching. At IKFF, research is being conducted on hybrid electromagnets in the border area of switching and holding solenoids. This paper aims to present the major advantages of this hybrid drive concept based on an electromagnetic FEA simulation study of two drive concepts and specially developed and characterized prototypes with magnetic shape memory (MSM) alloys. The concepts differ in the spatial orientation of the MSM sticks to generate an active stroke of the plunger, which contributes to a beneficial force-displacement characteristic and lower power consumption while minimizing switching noise.