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Showing 1 to 4 of 4 (0.061 seconds)Spelling suggestions: "subject:"quasistatic""
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A Novel Indirect Actuation Concept for MEMS MicromirrorsKaupmann, Philip 07 May 2021 (has links)
Scannende MEMS-Mikrospiegel stellen eine vielversprechende technologische Entwicklung mit potentiellen Anwendungen im Bereich der miniaturisierten Bildprojektion und Umgebungssensierung dar. Im Regelfall oszilliert das Spiegelelement hierbei resonant um die horizontale Achse, während die vertikale Achse statisch ausgelenkt wird. Somit ergibt sich ein sogenannter Raster-Scan. Während eine resonante Aktuierung in MEMS-Technologie im Frequenzbereich mehrerer kHz effizient umgesetzt werden kann, stellt die Implementierung statischer Antriebe eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Aktuierungskonzept vorgestellt, das effizientere quasi-statische Auslenkung ermöglicht. Hierfür wird der Drehimpuls, der durch die hochfrequente horizontale Schwingung erzeugt wird, durch eine weitere resonante Oszillation ähnlicher Frequenz gestört, wodurch sich ein für die quasi-statische Auslenkung nutzbares Drehmoment ergibt.
Da gyroskopische Effekte ausgenutzt werden, die nicht in aktuellen auf Modalanalyse basierenden Simulationsmethoden berücksichtigt sind, werden Starrkörper- und transiente FEM-Modelle entwickelt, um die Realisierbarkeit des Antriebskonzepts simulatorisch zu verifizieren.
Im Rahmen der durch den genutzten Prozess gegebenen Randbedingungen werden daraufhin Aktuierungselemente für die resonanten Achsen erarbeitet und mit diesen zwei Designvarianten eines 2D-Mikrospiegels erstellt. Nach modellbasierter Verifikation werden diese in einer MEMS-Fertigungslinie prozessiert.
Mit den generierten Mustern wird dann eine vollständige experimentelle Charakterisierung unter Nutzung eines speziell erstellten FPGA-basierten Evaluations-Boards durchgeführt. Beide Design-Varianten zeigen hierbei voll funktionsfähige Sensierungs- und Aktuierungselemente. Es kann ein erfolgreicher Nachweis der Funktionsfähigkeit des neuartigen Antriebskonzepts vollbracht werden. Die dabei gezeigte 2D-Projektion erreicht Winkel von 12° x 1.8° / Scanning MEMS micromirrors are an emergent technology for compact form factor image projection and environment sensing applications. Commonly the mirror element oscillates resonantly along the horizontal axis, whereas it is deflected statically along the vertical axis, performing a so called raster scan. While resonant actuation can be implemented efficiently in MEMS, static deflection however remains challenging. In this thesis a novel actuation concept for 2D MEMS micromirrors is introduced that potentially enables efficient quasi-static actuation. Therefore the angular momentum that is generated by the high frequency resonant axis is disturbed by an orthogonal resonant oscillation of similar frequency, leading to a torque that can be utilized to achieve an indirect quasi-static deflection.
As in this case gyroscopic effects are exploited that are usually not considered in state of the art modal finite element based MEMS simulation, in order to validate the feasibility of the actuation concept rigid body and transient finite element based models are developed and simulation studies conducted. Using an existing manufacturing process as a framework, actuation schemes for the resonant axes are introduced and two distinct micromirror designs are developed and verified by simulation. These are processed in a MEMS manufacturing line.
A thorough characterization study is then carried out using a custom FPGA based evaluation board with closed loop control capabilities. Both design variants are functional with regard to all actuation and tilt angle detection elements. A successful implementation of the proposed actuation concept is shown achieving 2D projection of a laser beam with tilt angles of 12 ◦ × 1.8 ◦ in frequency and amplitude controlled operation.
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Mikrostrukturorientierte Charakterisierung mechanischer Eigenschaften von AlSi10 gelöteten CrNi Stahl/Aluminium MischverbundenFedorov, Vasilii 16 March 2022 (has links)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von CrNi-Stahl/Aluminium-Mischverbunden mit dem Ziel der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Erhöhung der Lebensdauer der Lötverbindungen. Da sich die Eigenschaften der Fügepartner stark unterscheiden, ist ein geeignetes Fügeverfahren erforderlich. Die wesentliche Herausforderung besteht in der Vermeidung der Bildung von dicken intermetallischen Schichten in der Reaktionszone, welche die mechanischen Eigenschaften der resultierenden Lötverbindungen verschlechtern. Dementsprechend wird ausgehend vom Stand der Technik ein Konzept zur vollständigen Untersuchung der Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen der Mischverbunde erarbeitet und umgesetzt. Die Mischverbunde werden durch Induktionslöten hergestellt, was einen lokalen Wärmeeintrag in die Fügestelle ermöglicht. Dadurch können Lötverbindungen mit dünnen Reaktionszonen erzeugt werden. Das Potenzial der Lötverbindungen wird anhand von Zugscher- und Ermüdungsversuchen aufgezeigt, die mit den Ergebnissen der Mikrostrukturanalyse und der fraktografischen Bewertung korreliert werden.:Abkürzungen und Formelzeichen iii
Abkürzungen iii
Formelzeichen iv
Abbildungsverzeichnis v
Tabellenverzeichnis xi
1 Einleitung und Motivation 1
2 Stand der Technik 2
2.1 Anwendungen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 2
2.2 Stoffschlüssiges Fügen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3
2.2.1 Schweißen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3
2.2.2 Löten von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 8
2.2.2.1 Grundlagen 8
2.2.2.2 Verfahren und Lotwerkstoffe 10
2.3 Besonderheiten bei Stahl/Aluminium-Mischverbunden 15
2.3.1 Intermetallische Fe-Al-Verbindungen in der Reaktionszone 15
2.3.2 Kontrolle der Bildung und des Wachstums der Reaktionszone 20
2.3.3 Problematik bei mechanischer Charakterisierung der Mischverbunde 23
3 Folgerungen und Zielstellung 27
4 Experimentelle Durchführung 29
4.1 Grund- und Lotwerkstoffe 29
4.2 Benetzungs- und Lötversuche 31
4.3 Mikrostrukturelle Charakterisierung 34
4.3.1 Mikrostrukturanalyse 34
4.3.2 Mikrohärtemessung und Nanoindentation 35
4.3.3 Thermische Auslagerung 37
4.4 Mechanische Charakterisierung 39
4.4.1 Zugscher- und Warmzugscherversuche 39
4.4.2 Ermüdungsversuche 40
5 Ergebnisse 43
5.1 Benetzungsverhalten 43
5.2 Mikrostrukturelle Untersuchungen 45
5.2.1 Mikrostruktur der Lötverbindungen und Bildung der Reaktionszone 45
5.2.2 Mechanische Charakteristika der Gefügebestandteile 55
5.3 Festigkeitsuntersuchungen 59
5.3.1 Quasistatische Untersuchungen gelöteter Mischverbunde 59
5.3.2 Ermüdungsverhalten gelöteter Mischverbunde 69
5.4 Korrelation zwischen Reaktionszonendicke und Festigkeit 81
6 Diskussion der Ergebnisse 88
7 Zusammenfassung und Ausblick 92
8 Anlagen 93
8.1 Übersicht der Benetzungsproben auf Stahl X5CrNi18-10 93
8.2 Übersicht der Benetzungsproben auf AlMn1Cu 94
8.3 Beispiel der Ergebnisse der EDX-Analyse 95
8.4 Härteverlauf über die Reaktionszone 96
8.5 EBSD-Analyse der Lötverbindung 97
8.6 Mikrozugversuche 98
8.7 TEM-Untersuchungen der hergestellten Lötverbindungen 99
9 Literaturverzeichnis 102
10 Normenverzeichnis 112
11 Publikationen 113 / This thesis deals with the production of aluminum/stainless steel mixed joints in order to improve the mechanical properties and to extend the lifetime of the joints. Because of the different physical properties of the joining partners, a suitable joining technique is necessary. In comparison to welding, brazing offers significant advantages due to the lower liquidus temperature of the used brazing fillers. The main challenge is to prevent the formation of thick intermetallic layers in the reaction zone. These layers deteriorate the mechanical properties of the resulting joints predominantly. Correspondingly, a concept for the complete investigation of the microstructure-property relationships of the brazed joints is investigated. The joints are produced by induction brazing, which takes place in a short process time and allows a local heat input into the joint. Therefore, joints with a thin intermetallic layer in the reaction zone can be manufactured. The potential of the joints is demonstrated using monotonic tensile shear tests as well as fatigue tests. The achieved results are correlated with the results of the microstructural and fractographic analysis.:Abkürzungen und Formelzeichen iii
Abkürzungen iii
Formelzeichen iv
Abbildungsverzeichnis v
Tabellenverzeichnis xi
1 Einleitung und Motivation 1
2 Stand der Technik 2
2.1 Anwendungen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 2
2.2 Stoffschlüssiges Fügen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3
2.2.1 Schweißen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3
2.2.2 Löten von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 8
2.2.2.1 Grundlagen 8
2.2.2.2 Verfahren und Lotwerkstoffe 10
2.3 Besonderheiten bei Stahl/Aluminium-Mischverbunden 15
2.3.1 Intermetallische Fe-Al-Verbindungen in der Reaktionszone 15
2.3.2 Kontrolle der Bildung und des Wachstums der Reaktionszone 20
2.3.3 Problematik bei mechanischer Charakterisierung der Mischverbunde 23
3 Folgerungen und Zielstellung 27
4 Experimentelle Durchführung 29
4.1 Grund- und Lotwerkstoffe 29
4.2 Benetzungs- und Lötversuche 31
4.3 Mikrostrukturelle Charakterisierung 34
4.3.1 Mikrostrukturanalyse 34
4.3.2 Mikrohärtemessung und Nanoindentation 35
4.3.3 Thermische Auslagerung 37
4.4 Mechanische Charakterisierung 39
4.4.1 Zugscher- und Warmzugscherversuche 39
4.4.2 Ermüdungsversuche 40
5 Ergebnisse 43
5.1 Benetzungsverhalten 43
5.2 Mikrostrukturelle Untersuchungen 45
5.2.1 Mikrostruktur der Lötverbindungen und Bildung der Reaktionszone 45
5.2.2 Mechanische Charakteristika der Gefügebestandteile 55
5.3 Festigkeitsuntersuchungen 59
5.3.1 Quasistatische Untersuchungen gelöteter Mischverbunde 59
5.3.2 Ermüdungsverhalten gelöteter Mischverbunde 69
5.4 Korrelation zwischen Reaktionszonendicke und Festigkeit 81
6 Diskussion der Ergebnisse 88
7 Zusammenfassung und Ausblick 92
8 Anlagen 93
8.1 Übersicht der Benetzungsproben auf Stahl X5CrNi18-10 93
8.2 Übersicht der Benetzungsproben auf AlMn1Cu 94
8.3 Beispiel der Ergebnisse der EDX-Analyse 95
8.4 Härteverlauf über die Reaktionszone 96
8.5 EBSD-Analyse der Lötverbindung 97
8.6 Mikrozugversuche 98
8.7 TEM-Untersuchungen der hergestellten Lötverbindungen 99
9 Literaturverzeichnis 102
10 Normenverzeichnis 112
11 Publikationen 113
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Methodenentwicklung zur Simulation von Strömungen mit freier Oberfläche unter dem Einfluss elektromagnetischer WechselfelderBeckstein, Pascal 16 February 2018 (has links) (PDF)
Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.
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Methodenentwicklung zur Simulation von Strömungen mit freier Oberfläche unter dem Einfluss elektromagnetischer WechselfelderBeckstein, Pascal 08 January 2018 (has links)
Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.
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