Studien- und Abschlussarbeiten

Thema

Zur Aufstellung empfindlicher Maschinen nutzt man meist passive Schwingungs-isolatoren, die in der Regel aus sehr schwach gedämpften, weichen Federn bestehen. Die Federn sind so auf die zu isolierenden Masse abgestimmt, dass solche Gesamtsysteme sehr kleine Eigenfrequenzen haben (typisch < 2 Hz).

Im Rahmen dieser Arbeit soll für ein aktiven Schwingungsisolator eine vorhandenes Federelement konstruktiv um eine Dämpferelement erweitert werden, dass im Bereich kleiner Frequenzen eine schwache Dämpfungswirkung aufweist, im Bereich höherer Frequenzen  (> 200 Hz) jedoch relativ stark dämpft. Insbesondere sollen auch die Eigenschwingungen der Feder gedämpft werden. Die Arbeit umfasst sowohl die konstruktive Lösung, eine Schwingungs-/Dämpferauslegung per FE bzw. analytischer Betrachtung als auch den experimentellen Nachweis der Dämpfungswirkung (mit Unterstützung).

Voraussetzungen

• Interesse an konstruktiven Lösungen und TM4
• Motivation, die eigene Lösung direkt im Versuch zu testen
• Eigenständige Arbeitsweise

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Thema

Zur Aufstellung empfindlicher Maschinen nutzt man meist passive Schwingungs-isolatoren, die in der Regel aus sehr schwach gedämpften, weichen Federn bestehen. Die Federn sind so auf die zu isolierenden Masse abgestimmt, dass solche Gesamtsysteme sehr kleine Eigenfrequenzen haben (typisch < 2 Hz).Zur Aufstellung empfindlicher Maschinen nutzt man meist passive Schwingungs-isolatoren, die in der Regel aus sehr schwach gedämpften, weichen Federn bestehen. Die Federn sind so auf die zu isolierenden Masse abgestimmt, dass solche Gesamtsysteme sehr kleine Eigenfrequenzen haben (typisch < 2 Hz).
Im Rahmen dieser Arbeit soll für ein Schwingungsisolator ein vorhandenes Federelement auf Basis von FE-Simulationen topologie- bzw strukturoptimiert werden, so dass störende Eigenschwingungen im Betrieb nicht weiter auftreten.
Die quasistatischen Federeigenschaften (insbes. die Federkennlinie) sollen erhalten bleiben, auch soll der erforderliche Bauraum des Federelements nicht erweitert werden.

Voraussetzungen

• Vorerfahrung mit FE wünschenswert
• Bereitschaft, in der Literatur entsprechende Vorarbeiten zu identifizieren
• Eigenständige Arbeitsweise

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Thema

Die Arbeitsgruppe Kontaktmechanik von Elastomeren beschäftigt sich mit der Beschreibung und Modellierung des Kontakts verschiedenster Elastomerbauteile und ihrer Gegenspieler sowie der Untersuchung verschiedenster Kontaktsituationen.

Im Rahmen dieser Masterarbeit soll das viskoelastische Materialverhalten zweier unterschiedlicher Materialien unter dynamischen Anregungsbedingungen mittels FESimulation untersucht werden. Die Arbeit zielt darauf ab, das Verständnis der Materialantwort auf periodische und impulsartige Anregungen zu vertiefen, um daraus Erkenntnisse für die medizinische Gewebecharakterisierung abzuleiten. Es soll untersucht werden, inwieweit daraus Anwendungen in der medizinischen Diagnostik ergeben.

Insbesondere ergeben sich folgende Aufgaben:

• Entwicklung und Implementierung eines Simulationsmodells
• Analyse der Materialantwort auf periodische Anregungen
• Untersuchung der Auswirkungen von Impulsanregungen
• Auswertung und Vergleich von zwei Materialien
• Schriftliche Ausarbeitung

Falls Dich das Thema anspricht und Du Interesse hast, schreibe mir eine E-Mail mit einer kleinen Motivation, warum du dich für das Thema interessierst und beigefügtem Notenspiegel.

Voraussetzungen

• Gute Mechanik-Kenntnisse
• Erfahrung mit Abaqus wünschenswert (HiWi-Job, Praktikum, stud. Arbeit oä.)
• Eigenständiges Arbeiten

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Thema

Eine Schallkraftwaage ist ein Messsystem zur Bestimmung der abgestrahlten Ultraschallleistung über die von Schall verursachte Strahlungskraft.
Dabei sendet ein Ultraschallwandler eine Welle in ein Medium (Wasser), die auf ein Target trifft. Die dabei übertragene Impulsänderung erzeugt eine sehr kleine zusätzliche Kraft, die von einer hochauflösenden Waage oder Wägezelle als scheinbare Gewichtsänderung erfasst wird. Aus dieser Kraft und der Schallgeschwindigkeit wird die zeitgemittelte akustische Leistung berechnet. Das Konzept gilt als Primärverfahren zur Kalibrierung medizinischer und technischer Ultraschallquellen, weil es ohne elektrische oder feldinterne Sensorik direkt an der abgestrahlten Energie ansetzt. Anwendungen finden sich in der Qualitätssicherung von Diagnostik-Sonden, Therapie-Applikatoren, Reinigungsbädern und sonochemischen Reaktoren. In der Arbeit sollen die verschiedenen Konzepte gegen übergestellt werde. Dabei sollen insbesondere die unterschiedlichen Targets diskutiert werden. Eins der Konzepte soll ausgewählt und umgesetzt werden. Dabei wird eine handelsübliche präzise Laborwaage verwendet. Die in Python oder LabVIEW zu implementierende Software soll die Bedienung der Schallkraftwaage erlauben. Beispielmessungen runden die Arbeit ab.

Voraussetzungen

Die Arbeit eignet sich besonders für Studierende der Biomedizintechnik, Maschinenbau,
Mechatronik oder Elektrotechnik mit Interesse an Ultraschall, Aktorik, Sensorik und
experimenteller Laborarbeit.

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Thema

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und experimentelle Untersuchung von piezoelektrischen Einzelelementwandlern im Bereich von 1–2 MHz, wie sie u. a. für medizinische Bildgebung mit großer Eindringtiefe sowie für therapeutische Anwendungen (z. B. Physiotherapie, Thrombolyse) eingesetzt werden. Ausgehend von einer Literaturrecherche zu Materialien, Aufbauprinzipien und medizinischen Anwendungen werden geeignete PZT Keramiken ausgewählt und grundlegende Designparameter wie Apertur, Resonanzfrequenz, Matching-Layer und Backing-Konzept festgelegt. Darauf aufbauend entwerfen Sie mechanische und akustische
Strukturen des Wandlers (Gehäuse, Verkapselung, Kontaktierung), idealerweise unter Nutzung von CAD und rapid-prototyping Fertigungsverfahren (3d-Druck). Die gefertigten Prototypen werden anschließend elektrisch (Impedanz, Resonanz-/Antiresonanz) und akustisch (Pulse-Echo, Bandbreite, Schalldruck, Richtcharakteristik) charakterisiert. Ein Schwerpunkt liegt auf dem Vergleich verschiedener Matching-/Backing-Konzepte im Hinblick auf Effizienz, Bandbreite und mögliche medizinische Einsatzszenarien, z. B. als Sendeelement in Therapie-Applikatoren oder als einfacher Prüfkopf für Gewebe-Phantome.
 

Voraussetzungen

Die Arbeit eignet sich besonders für Studierende der Biomedizintechnik, Maschinenbau, Mechatronik oder Elektrotechnik mit Interesse an Ultraschall, Aktorik, Sensorik und experimenteller Laborarbeit

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Thema

Ultraschallsystem sind in den verschiedenen Bereichen der Medizin stark verbreitet. Ein prominentes Beispiel, mit dem (fast) alle schon Kontakt hatten ist die Ultraschallzahnsteinentfernung. Damit die Sicherheit der Geräte gewährleistet ist müssen bei der Auslegung zahlreiche Normen beachtet werden. Ziel der Arbeit ist es die wichtigen Normen zu identifizieren und anhand diese herauszuarbeiten, welche Akustischen- und Ultraschalleigenschaften dafür erfasst werden müssen bzw. welche zusätzlich erfasst werden sollten. Im nächsten Schritt soll ein entsprechender Versuchsplan erarbeitet werden, um diese Größen zu erfassen. Mit unserer umfangreichen experimentellen Ausstattung sollen dann an einem entsprechenden Ultraschallsystem die geplanten Versuche durchgeführt sowie dokumentiert und mit Hilfe der Normen bewertet werden.

Voraussetzungen:

Die Arbeit eignet sich besonders für Studierende der Biomedizintechnik, Maschinenbau, Mechatronik oder Elektrotechnik mit Interesse an Ultraschall, Aktorik, Sensorik und experimenteller Laborarbeit.

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Thema

Die Eigenschaften einer Schweißnaht lassen sich gezielt durch die Anregung des Schmelzbades mittels Ultraschall beeinflussen. Hierfür kommt ein typischer Ultraschallwandler zum Einsatz (siehe Abbildung). Dieser Wandler wirkt aktiv auf den Schweißprozess ein, wird jedoch gleichzeitig auch durch die Prozessbedingungen beansprucht. Diese Wechselwirkung zeigt sich in den elektrischen Signalen des Wandlers – insbesondere in Strom- und Spannungsverläufen. Die am Ultraschallwandler gemessenen Signale bieten somit die Möglichkeit, Rückschlüsse auf den Schweißprozess zu ziehen. Ziel der studentischen Arbeit ist es, zu untersuchen, inwieweit eine Korrelation zwischen diesen elektrischen Signalen und dem Verlauf des Schweißprozesses besteht. Insbesondere soll analysiert werden, welche Merkmale der entstehenden Schweißnaht sich mit bestimmten Signalverläufen in Verbindung bringen lassen.

Zur Auswertung eignen sich sowohl klassische signalverarbeitende Verfahren als auch moderne Ansätze des maschinellen Lernens. Dabei stellen sich zentrale Fragen wie: Besteht ein Zusammenhang zwischen Einschweißtiefe und elektrischer Impedanz? Lassen sich potenzielle Fehlstellen in der Schweißnaht anhand auffälliger Signalmerkmale erkennen?

• Einarbeitung in die Ultraschalltechnologie und den Betrieb von Ultraschallwandlern
• Entwurf von Algorithmen zur Datenauswertung in Matlab
• Planung und Durchführung von Versuchen zur Validierung der gefundenen Korrelationen

Anforderungen

• Verantwortungsvolle und selbstständige Arbeitsweise
• Vorkenntnisse in Matlab oder in der Verwendung von Messgeräten wünschenswert
• Der Umfang der Aufgaben wird an die jeweilige Art der Arbeit (Bachelor-, Studien-, Masterarbeit) angepasst

Anfragen richten Sie bitte mitsamt Notenspiegel an die angegebene E-Mail Adresse.

Thema

Am Institut für Dynamik und Schwingungen wird der Laserstrahlschweißprozess mit einer unterstützenden Anregung durch Ultraschall erforscht. In vorangegangenen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass beim Schweißen eine Anregung des Schmelzbades mit Ultraschall viele Vorteile, wie eine bessere Durchmischung der schmelzflüssigen Komponenten, hat.

Ein wichtiger Parameter beim Laserstrahlschweißen ist die Einschweißtiefe. Sie gibt Aufschluss über die Qualität der Verbindung der Fügepartner. Mit einem OCT-Sensor wird dieser Parameter während des Prozesses direkt gemessen. Auf Basis dieses Sensors wurde eine Einschweißtiefenregelung für den Prozess entwickelt. Innerhalb der studentischen Arbeit soll diese Regelung nun erweitert werden. Es ergeben sich daraus u.a. folgende wissenschaftliche Fragestellungen:

• Wie muss die Regelung abhängig vom Material der Fügepartner angepasst werden?
• Wie muss das OCT-Messsignal verarbeitet werden, damit die Regelung stabil bleibt?
• Wie muss ein Einschweißtiefenprofil aussehen, um einen Wärmestau bei Rundstangen zu verhindern?
• Eignen sich die Signale des Ultraschalltransducers als Rückführgröße?

Anforderungen und Bemerkungen

• Verantwortungsvolle und selbstständige Arbeitsweise
• Freude an simulativer sowie experimenteller Arbeit
• Vorkenntnisse in Matlab sowie der Simulationsumgebung Simulink erforderlich
• Der Umfang der stud. Arbeit wird an die Art der Arbeit (Bachelor-, Studien-, Masterarbeit) angepasst

Anfragen richten Sie bitte mitsamt Notenspiegel an die angegebene E-Mail Adresse.

Motivation

Das Interesse an Leistungsultraschallschwingern, die Torsionsschwingungen nutzen ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. In dieser Arbeit sollen die verschiedenen Möglichkeiten zur Erzeugung Torsions-Ultraschallschwingungen (hier etwa 20 – 50kHz) untersucht werden.

Vorgehensweise

Praktikum

• Recherche zu den aktuell bekannten Systemen und der genutzten Mechanismen zur Schwingungserzeugung (z.B. Nutzung spezieller piezoelektrischer Elemente, Umwandlung von Längs- in Torsionsschwingen über geometrische Maßnahmen, …) in Patentliteratur und wissenschaftlichen Datenbanken
• Erarbeitung/Ableitung neuer Konzepte
• Voruntersuchungen mit der FEM

Masterarbeit

• Analyse der Vor- und Nachteile sowie Bewertung der ermittelten Konzepte einschließlich einer Chancen- und Risikobetrachtung.
• Entwurf von Funktionsmustern der zwei besten Konzepte mit der FEM unter Berücksichtigung des piezoelektrischen Effektes → Update der Bewertung
• Erstellung von Fertigungsunterlagen für das beste Konzept
• Aufbau und experimentelle Charakterisierung des Prototyps und Ergebnisbewertung

Wünschenswert

• Kenntnisse in der Schwingungstechnik (bevorzugt kontinuierliche Systeme)
• Kenntnisse in der Anwendung der FEM, z.B. mit Ansys
• Hohe Selbstständigkeit und Motivation
• Gute Kommunikationsfähigkeit in Deutsch oder Englisch

Start ab sofort bzw. nach Absprache

Aufgaben:
• Entwicklung eines automatisierten Charakterisierungsvorgangs (Python ↔ LabVIEW)
• Programmierung und Inbetriebnahme, einschließlich der Kommunikation zwischen verschiedenen Schnittstellen

Voraussetzungen:
• Ergebnisorientierte und selbstständige Arbeitsweise
• Vorkenntnisse in Python, LabVIEW und MATLAB
• Interesse an elektromechanischen Systemen

Start ab sofort