Studien- und Abschlussarbeiten

Inhalt

Die zunehmende Flexibilisierung des Betriebs von Gasturbinen zur Energiewandlung geht mit einer deutlich veränderten Beanspruchung der Beschaufelung einher. Mit dem Ziel einer Amplitudenreduktion der Schwingungen der Schaufeln sollen verschiedene Konzepte (s. Bild A-C) zu sogenannten BladeAlone-Dämpfern experimentell untersucht werden. Dabei stehen solche Dämpferkonzepte im Fokus, die nicht auf Relativbewegungen benachbarter Schaufeln beruhen, sondern von diesen unabhängig sind und nur von der Verformung einer Schaufel selbst abhängen. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Dämpfungspotential der einzelnen Konzepte experimentell in einem Standversuch (s. exemplarisch Bild) untersucht werden. Neben der messtechnischen und experimentellen Umsetzung ist die Messauswertung mit einem Fokus auf die erreichbare Amplitudenreduktion ein Ziel dieser Arbeit.

Voraussetzungen

• Selbstständige Arbeitsweise
• Vorkenntnisse aus den Veranstaltungen „Nichtlineare Strukturdynamik“ oder „Nichtlineare Schwingungen“
• Erfahrung in der Programmierung mit MATLAB & Simulink
• Erfahrung im Umgang mit Messtechnik (Sensoren, Datenerfassung, Steuerung)

Starttermin ist ab Q2 2026

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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.

Start

Ab sofort

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

Start

Ab sofort

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

Aufgabenstellung
• Definition der funktionalen und technischen Anforderungen
• Entwicklung und Bewertung geeigneter Lösungskonzepte
• Systematische Auswahl geeigneter Werkstoffe
• Analytische Vorauslegung von Biegeelementen und FEM-Simulation und Validierung
• Festlegung geeigneter Montagepositionen für Wegaufnehmer bzw. Dehnungsmessstreifen
• Konstruktive Ausarbeitung einschließlich Füge-, Montage- und Befestigungskonzept

Voraussetzungen
• Strukturierte, ergebnisorientierte und selbstständige Arbeitsweise
• Interesse an konstruktive Aufgaben
• Gute Vorkenntnisse in Technischer Mechanik II zwingend erforderlich
• Vorkenntnissein Ansys und Matlab wünschenswert

Ab sofort