Institut für Konstruktion und Fertigungin der FeinwerktechnikProf. Dr.-Ing. B. Gundelsweiler

Herzlich Willkommen im Modul

Konstruktionslehre III/IVFeinwerktechnik

(mit feinwerktechnischer Orientierung)

Wahlmöglichkeitfür Bachelor-Studiengänge

Maschinenwesen und Fahrzeug- und Motorentechnik

Prof. Dr.- Ing. B. Gundelsweiler

Einführungsvorlesung

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Stundentafel Bachelor

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Prof. Dr.- Ing. B. Gundelsweiler

Modulname

Konstruktionslehre III/IV - Feinwerktechnik(mit feinwerktechnischer Orientierung)

Modulnummer 13740

Einführungsvorlesung

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Was ist Feinwerktechnik,

wodurch wollen wir uns differenzieren?

Einführungsvorlesung

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Schnittdisziplin Feinwerktechnik

Heute hieße Feinwerktechnik Mechatronik

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Beispiele für Feinwerktechnik

Einführungsvorlesung

Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

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Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

• Feinwerktechnik hat andere Dimensionen!

Warum Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

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Verbrennungsmotor eines Modellflugzeuges

Quelle: IKFF

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• Feinwerktechnik hat andere Dimensionen!• Feinwerktechnik ist stark interdisziplinär

(Mechanik, Elektrotechnik, Elektronik, Optik, ...)!

Warum Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

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• Feinwerktechnik hat andere Dimensionen!• Feinwerktechnik ist stark interdisziplinär (Mechanik,

Elektrotechnik, Elektronik, Optik, ...)!• Feinwerktechnik hat einen starken mechatronischen Charakter!

Warum Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

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Festplattenlaufwerk

Quelle: IKFF

Spurabstände kleiner 0,2 …2 m, Spurfolgegenauigkeit kleiner 100 nmKopfflughöhe 10 nm, mittlere Positionierzeit 10 ms,Vergleich Haar 40...80 m, d.h. 20(0)...40(0) Spuren pro Haar

Quelle: pcseek

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Endoskope

Quelle: Storz Tuttlingen

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Aktorik: Miniaturmotor mit integrierter Positionserfassung

Technische Daten:

Außendurchmesser: 7 mmLänge: 7,5 mmHub : 2 mmBohrungsdurchmesser: 3,5 mmNennkraft: 70 mN

Quelle: IKFF

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Permanentmagnetisch erregterGleichstrom-Hohlläufermotor

für hochdynamischePositionieraufgaben

mit angeflanschtem inkrementalemGeber

mit stirnseitigem Umlaufräder-Getriebe

Kleinmotor

Quelle: maxon motor

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• Feinwerktechnik hat andere Dimensionen!• Feinwerktechnik ist stark interdisziplinär

(Mechanik, Elektrotechnik, Elektronik, Optik, ...)!• Feinwerktechnik hat einen starken mechatronischen Charakter!• Feinwerktechnik hat sehr heterogene, aber auch vielfältige

Einsatzfelder!

Warum Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

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Feinwerktechnische Erzeugnisse mit dominierendem Informationsfluss

Informations-gewinnung verarbeitung übertragung speicherung ausgabe

Fahrzeug-komponenten

FernrohrMikroskopUhrenMess-technikSensorenDigitali-siergeräte

Rechneraller Art

Fax,Fernsprech-Rundfunk-,Fernseh-,Radar-,Satelliten-empfangs-geräte

Tonband-geräte,Platten-speicher,Mikrofilmge-räte,FotogeräteVideogeräte

Bild-schirm-geräte,Projekto-ren,PlotterDrucker

Steuerungen,Anzeige-,Navigations-undInformations-systeme,

Feinwerktechnik

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Sensoren, Aktoren für Sicherheitssysteme im PKW

Quelle: Bosch Reutlingen

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Feinwerktechnik

Feinwerktechnische Erzeugnisse mit dominierendem Energie- oder Stofffluss

Produktions-technik

Bürotech-nik

Medizin- undLabortechnik

Haus-technik

TechnischesSpielzeug

Fahrzeug-komponenten

ManipulatorenElektronen-strahl- undLaserbearbei-tungsgeräte,Bonder,Beschich-tungsanlagen,Repaeter

Schreib-maschi-nen,Verviel-fälti-gungs-geräte

Bestrahlungs-Operations-technik,Prothesen,künstlicheOrgane,Analysegeräte

Kühl-schränkeWasch-maschi-nen,Staub-sauger,Herde,Nähma-schinen

Modellspiel-zeug,Mechanik-,Optik-,Elektronik-Baukästen,Spielauto-maten

Stelltechnik,Klimaanlage,

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Dampfbackofen

Quelle: Gaggenau Hausgeräte

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• Feinwerktechnik hat andere Dimensionen!• Feinwerktechnik ist stark interdisziplinär (Mechanik,

Elektrotechnik, Elektronik, Optik, ...)!• Feinwerktechnik hat einen starken mechatronischen Charakter!• Feinwerktechnik hat sehr heterogene, aber auch vielfältige

Einsatzfelder !• Feinwerktechnik hat zusätzlich andere Werkstoffe und

Fertigungsverfahren!

Warum Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

Warum benötigen wir einen Modul Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

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Spritzgusszyklus

Quelle: IKFF

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Was erwartet Sie im Modul

Konstruktionslehre Feinwerktechnik?

Konstruktionslehre Feinwerktechnik

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Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) III

Mechanische Funktionsgruppen

- Achsen und Wellen - Lager (Gleit-, Wälz- und Sonderlager, aerostatische Lager) - Führungen - Getriebe, Zahnradgetriebe - Koppelgetriebe - Zahnriemengetriebe, andere Zugmittelgetriebe - Schraubengetriebe - Kupplungen

Fertigungsgerechtes Gestalten - ausgewählte Fertigungsverfahren - Gestalten von Kunststoffkomponenten (Spritzguss) - Blechteile - Optik-Fassungen

Ausgewählte Funktionsgruppen - Beispiele

Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik III

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Permanentmagnetisch erregterGleichstrom-Hohlläufermotor

für hochdynamischePositionieraufgaben

mit angeflanschtem inkrementalemGeber

mit stirnseitigemUmlaufräder-Getriebe

Kleinmotor

Quelle: maxon motor

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Rillenkugellager Schrägkugellager Vierpunktlager Pendelkugellager

Radial-Kugellager

Quelle: FAG-Katalog

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Gleitlager / Sinterlager

Lagerspalt in einem Sinterlager

Quelle: Schunk Sintermetalltechnik

a) bei stillstehender Welle b) bei laufender Welle

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Plattenmotor im Festplattenlaufwerk

Quelle: PMDM

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Plattenmotor im Festplattenlaufwerk

Quelle: PMDM

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Hydrodynamisches Gleitlager in einem Festplattenlaufwerk

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Luftlager/-führung mit poröser Buchse oder diskreten Düsen

Quelle: nach J. Schmidt: Luftlagerungen.und Mochel

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Federparallelführung mit integrierten Festkörpergelenken

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Quelle: Maxon

Planetenradgetriebe für einen Kleinmotor

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Spielarme Stirnradstandgetriebe für Kleinmotoren

Quelle: Faulhaber

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Bildquelle: Volvo

Koppelgetriebe im Faltdach

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Kugelgewindetrieb in Kugelkettentechnik

Quelle: F&M 110(2002)10 Zuliefermarkt, S. 57; THK Ratingen

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Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) III

Mechanische Funktionsgruppen

- Achsen und Wellen - Lager (Gleit-, Wälz- und Sonderlager, aerostatische Lager) - Führungen - Getriebe, Zahnradgetriebe - Koppelgetriebe - Zahnriemengetriebe, andere Zugmittelgetriebe - Schraubengetriebe - Kupplungen

Fertigungsgerechtes Gestalten - ausgewählte Fertigungsverfahren - Gestalten von Kunststoffkomponenten (Spritzguss) - Blechteile - Optik-Fassungen

Ausgewählte Funktionsgruppen der Messtechnik - Messkette, Kraftmess-, Längenmesstechnik

Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik III

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Spritzguss: Werkzeug zur Entformungskraftmessung

Quelle: IKFF

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Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) IV

Elektromechanische Funktionsgruppen (mechatronische Komponenten)

- Elektromagnetische Stelltechnik (Elektromagnete, Schrittmotoren) - Elektrodynamische Stelltechnik (rotatorische Gleichstrommotoren, Linearmotoren) - Stelltechnik auf Basis von Festkörpereffekten

Optische Funktionsgruppen - Blenden, Luken, Pupillen, nötige Querschnitte in opt. FG - Konstruktion optischer Funktionsgruppen

Konstruktionsmethodik - Ideenfindung - Geräteentwicklung - Entwicklungsablauf (VDI 2221, VDI/VDE 2422) (elektromechanischer Geräte mit Mikrorechnersteuerung)- Methoden des Konzipierens, Entwerfens, Ausarbeitens

 

Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik IV

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am weitestenverbreiteterSchrittmotortyp

Hybrid - Schrittmotor

Hybrid-Schrittmotor

Quelle: SIG Positec

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Permanentmagnetisch erregterGleichstrom-Hohlläufermotor

für hochdynamischePositionieraufgaben

mit angeflanschtem inkrementalemGeber

mit stirnseitigemUmlaufräder-Getriebe

Kleinmotor

Quelle: maxon motor

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ZF Automatgetriebe 8 Gang Mild Hybrid

Quelle: Schmiede-Journal_März_2011

ZF Automatgetriebe 8 Gang 8HP70H Mild Hybrid

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Piezo-Inline-Injektor Fa. Bosch

Quelle: Bosch

Piezo-Inline-Injektor Fa. Bosch für Diesel-Comman-Rail-Hochdruckeinspritzsysteme (1600 bar)

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Quelle: Märklin

Piezo-Mikrostossantrieb in einer Modelleisenbahn

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Verformung des Vibrationselementes

Verformung übertrieben dargestellt !Schwingungen liegen im Mikrometerbereich

Video zeigt FEM Simulation

Piezo-Mikrostossantrieb Fa. Elliptec

Quelle: Elliptec, Dortmund

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Piezo-Mikrostossantrieb in Spielzeugen

Quelle: Elliptec, Dortmund

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Piezo-Mikrostossantrieb in Spielzeugen

Quelle: Elliptec, Dortmund

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Bi-Moden-Schwinger PI Karlsruhe

Quelle: PI Karlsruhe

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Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) IV

Elektromechanische Funktionsgruppen (mechatronische Komponenten)

- Elektromagnetische Stelltechnik (Elektromagnete, Schrittmotoren) - Elektrodynamische Stelltechnik (rotatorische Gleichstrommotoren, Linearmotoren) - Stelltechnik auf Basis von Festkörpereffekten

Optische Funktionsgruppen - Blenden, Luken, Pupillen, nötige Querschnitte in opt. FG - Konstruktion optischer Funktionsgruppen

Konstruktionsmethodik - Ideenfindung - Geräteentwicklung - Entwicklungsablauf (VDI 2221, VDI/VDE 2422) (elektromechanischer Geräte mit Mikrorechnersteuerung) - Methoden des Konzipierens, Entwerfens, Ausarbeitens

 

Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik IV

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Endoskope

Quelle: Storz Tuttlingen

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Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) IV

Elektromechanische Funktionsgruppen (mechatronische Komponenten)

- Elektromagnetische Stelltechnik (Elektromagnete, Schrittmotoren) - Elektrodynamische Stelltechnik (rotatorische Gleichstrommotoren, Linearmotoren) - Stelltechnik auf Basis von Festkörpereffekten

Optische Funktionsgruppen - Blenden, Luken, Pupillen, nötige Querschnitte in opt. FG - Konstruktion optischer Funktionsgruppen

Konstruktionsmethodik - Ideenfindung - Geräteentwicklung - Entwicklungsablauf (VDI 2221, VDI/VDE 2422) (elektromechanischer Geräte mit Mikrorechnersteuerung)- Methoden des Konzipierens, Entwerfens, Ausarbeitens

 

Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik IV

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Tintendruck

Tintenstrahldruck

vorzugsweise im

Drop-on-Demand-Verfahren

thermisches Verfahren mit Heizelement(en)

mechanisches Verfahrenmit Piezotechnik

Quelle: FH Augsburg

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Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen

(Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern,Firma Canon in Bubblejet-Printer)

-hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten-durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus

Thermischer Tintenstrahldruck

Quelle: FH Augsburg

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Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen

(Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern,Firma Canon in Bubblejet-Printer)

-hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten-durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus

Thermischer Tintenstrahldruck

Quelle: FH Augsburg

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Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen

(Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern,Firma Canon in Bubblejet-Printer)

-hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten-durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus

Thermischer Tintenstrahldruck

Quelle: FH Augsburg

Institut für Konstruktion und Fertigungin der FeinwerktechnikProf. Dr.-Ing. B. Gundelsweiler

Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen

(Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern,Firma Canon in Bubblejet-Printer)

-hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten-durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus

Thermischer Tintenstrahldruck

Quelle: FH Augsburg

Institut für Konstruktion und Fertigungin der FeinwerktechnikProf. Dr.-Ing. B. Gundelsweiler

Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen

(Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern,Firma Canon in Bubblejet-Printer)

-hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten-durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus

Thermischer Tintenstrahldruck

Quelle: FH Augsburg

Institut für Konstruktion und Fertigungin der FeinwerktechnikProf. Dr.-Ing. B. Gundelsweiler

Thermisches Verfahren mit elektrischen Heizelementen

(Firma Hewlett-Packard in Inkjet-Druckern,Firma Canon in Bubblejet-Printer)

-hinter jeder Düse des Druckkopfes kleiner Heizwiderstand, erhitzt Tinten-durch schnelle Hitzeentwicklung bildet sich in der Tinte eine Luftblase, die sich schlagartig ausdehnt, -die durch die Blase verdrängte Tinte wird blitzartig aus der Düse geschleudert. -Abkühlen, Luftblase fällt in sich zusammen, -Kontraktion der Luftblase führt zu Unterdruck, saugt neue Tinte in die Düse, nächster Zyklus

Thermischer Tintenstrahldruck

Quelle: FH Augsburg

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Mechanisches Verfahren mit Piezorohr

(Firma Epson)

- Tintenbehälter durch Piezorohr unter Druck gesetzt, dieses verändert durch Spannung seine Größe- Der Druckkopf wird nicht mit jeder Tintenpatrone gewechselt, da die Herstellungskosten dieser Köpfe wesentlich höher sind. Sie sind wesentlich robuster und langlebiger ausgelegt als die der thermischen Variante.

Piezoelektrischer Tintenstrahldruck

Quelle: FH Augsburg

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Mechanisches Verfahren mit Piezorohr

(Firma Epson)

- Tintenbehälter durch Piezorohr unter Druck gesetzt, dieses verändert durch Spannung seine Größe- Der Druckkopf wird nicht mit jeder Tintenpatrone gewechselt, da die Herstellungskosten dieser Köpfe wesentlich höher sind. Sie sind wesentlich robuster und langlebiger ausgelegt als die der thermischen Variante.

Piezoelektrischer Tintenstrahldruck

Quelle: FH Augsburg

Institut für Konstruktion und Fertigungin der FeinwerktechnikProf. Dr.-Ing. B. Gundelsweiler

Mechanisches Verfahren mit Piezorohr

(Firma Epson)

- Tintenbehälter durch Piezorohr unter Druck gesetzt, dieses verändert durch Spannung seine Größe- Der Druckkopf wird nicht mit jeder Tintenpatrone gewechselt, da die Herstellungskosten dieser Köpfe wesentlich höher sind. Sie sind wesentlich robuster und langlebiger ausgelegt als die der thermischen Variante.

Piezoelektrischer Tintenstrahldruck

Quelle: FH Augsburg

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Zeichenwagen des Plotters HP 7550 A

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Ansichten des Plotters HP 7550 A

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Konstruktionslehre (Feinwerktechnik) IV

Elektromechanische Funktionsgruppen (mechatronische Komponenten)

- Elektromagnetische Stelltechnik (Elektromagnete, Schrittmotoren) - Elektrodynamische Stelltechnik (rotatorische Gleichstrommotoren, Linearmotoren) - Stelltechnik auf Basis von Festkörpereffekten

Optische Funktionsgruppen - Abbildungsgesetze, Linsen, Linsensysteme (Wdhlg.) - Funktionsgruppen, Blenden, Luken, Pupillen, Abbildungsfehler

Konstruktionsmethodik - Ideenfindung - Geräteentwicklung - Entwicklungsablauf (VDI 2221, VDI/VDE 2422) (elektromechanischer Geräte mit Mikrorechnersteuerung) - Methoden des Konzipierens, Entwerfens, Ausarbeitens

Inhalte Konstruktionslehre Feinwerktechnik IV

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Konstruktionswettbewerb 2012

Konstruktionswettbewerb 2012Weinlese

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Konstruktionswettbewerb 2012

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für ein Hauptfach!

Konstruktionslehre Feinwerktechnik

Viel Spaß in der Konstruktionslehre Feinwerktechnik