Modellunterstützte Auslegung berührungsloser Ultraschallgreifsysteme für die Mikrosystemtechnik:
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München
Utz
2012
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INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG 1
2 STAND DER TECHNIK 3
2.1 INNOVATIONSMOTOR MIKROSYSTEMTECHNIK - UBERBLICK UND DEFINITIONEN . 3
2.1.1 EINFUEHRUNG 3
2.1.2 WIRTSCHAFTLICHE BEDEUTUNG DER MIKROSYSTEMTECHNIK 4
2.1.3 HISTORISCHE ENTWICKLUNG DER MIKROSYSTEMTECHNIK 5
2.2 MIKROMONTAGE 7
2.2.1 EINORDNUNG DER MIKROMONTAGE IN DIE MONTAGE- UND DIE
MIKROPRODUKTIONSTECHNIK 7
2.2.2 MONTAGE- U N D HANDHABUNGSAUFGABENSTELLUNGEN IN DER
MIKROSYSTEMTECHNIK 12
2.2.3 EINSCHRAENKENDE RANDBEDINGUNGEN BEI DER MONTAGE UND HAND HABUNG
MINIATURISIERTER KOMPONENTEN 17
2.3 KONVENTIONELLE
HANDHABUNGS- UND GREIFTECHNOLOGIEN 21
2.3.1 DEFINITION HANDHABEN 21
2.3.2 DEFINITION GREIFER. GREIFPHASEN UND WIRKPRINZIPIEN 2 3
2.3.3 STAND DER TECHNIK BEI TAKTILEN GREIFERN 24
2.4 BERUEHRUNGSLOSE HANDHABUNGS- UND GREIFTECHNOLOGIEN 3 3
2.4.1 DEFINITION BERUEHRUNGSLOSES HANDHABEN 3 3
2.4.2 ADHAESIVE EFFEKTE UND HANDHABUNGSSYSTEME 34
2.4.3 MAGNETISCHE EFFEKTE UND HANDHABUNGSSYSTEME 35
2.4.4 ELEKTROSTATISCHE EFFEKTE UND HANDHABUNGSSYSTEME 3G
2.4.5 LUFTLAGER UND LUFTKISSEN 38
2.4.6 DAS HYDRODYNAMISCHE PARADOXON UND BERNOULLIGREIFER . . . . 40
2.4.7 ULTRASCHALLBASIERTE HANDHABUNGSSYSTEME 41
3 FORSCHUNGS- UND ENTWICKLUNGSBEDARF 4 9
3.1 FUNKTIONS- UND PROZESSANALYSE
BERUEHRUNGSLOSER ULTRASCHALLHANDHABUNGSSYSTEME 49
3.2 DEFIZITE BEKANNTER ANSAETZE AUS D E M STAND DER TECHNIK 51
3.3 ZIELSETZUNG 53
4 STROEMUNGSMECHAMSCHE GRUNDLAGEN DER SQUEEZE-FILM-LEVITATION 5 5
4.1 ALLGEMEINES 55
4.2 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNG DER SQUEEZE-FILM-LEVITATION 56
4.2.1 VERSUCHSAUFBAUTEN ZUR MESSTECHISCHEN ERFASSUNG DES DRUCKPRO FILS
UND DES TRAGLASTVERHALTENS 56
I
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IMAGE 2
INHALTSVERZEICHNIS
4.2.2 ERGEBNISSE DER EXPERIMENTELLEN UNTERSUCHUNGEN DER SFL . . 59
4.3 FUNDAMENTALE GLEICHUNGEN
REIBUNGSBEHAFTETER, KOMPRESSIBLER STROEMUNGEN 62
4.4 MODELLVORSTELLUNGEN FUER DIE CHARAKTERISTIK DER
SQUEEZE-FILM-LEVITATION 66 4.4.1 AKUSTISCHE MODELLE 66
4.4.2 EIN EINFACHES THERMODYNAMISCHES MODELL FUER DIE
SQUEEZE-FILMLEVITATION 66
4.4.3 MODELLBASIERTE ABSCHAETZUNG DER UNTERSCHIEDE ZWISCHEN D E R
SCHMIERFILMTHEORIE U N D DER SQUEEZE-FILM-LEVITATION 68
4.4.4 DIE REYNOLDS-GLEICHUNG 73
4.4.5 ERWEITERUNG DER REYNOLDS-GLEICHUNG U M DEN EINFLUSS DER TRAEG
HEITSKRAEFTE 76
4.4.6 VEREINFACHUNG DER NAVIER-STOKES-GLEICHUNGEN FUER DIE SFL . . 81 4.5
DISKUSSION DER MODELLE 84
5 SYSTEMENTWURF VON LONGITUDINALSCHWINGERN ZUR ERZEUGUNG VON ULTRASCHALL
9 1 5.1 ALLGEMEINES 91
5.2 ANWENDUNGEN UND GRUNDPRINZIPIEN DER ULTRASCHALLTECHNIK 92
5.2.1 S T A N D DER TECHNIK IN DER ENTWICKLUNG U N D ANWENDUNG VON
ULTRASCHALLSYSTEMEN 92
5.2.2 GRUNDAUFBAU DES GESAMTSYSTEMS UND HALBWELLENSYNTHESE . . 92 5.3
ELEKTROMECHANISCHE ANALOGIEN UND GRUNDELEMENTE DER ULTRASCHALLERZEU
GUNG 95
5.3.1 ELEKTRISCHE UND MECHANISCHE ANALOGIEN 95
5.3.2 DER EINDIMENSIONALE WELLENLEITER 97
5.3.3 DER PIEZOELEKTRISCHE LAENGSSCHWINGER ALS WELLENLEITER 103
5.4 ELEKTROMECHANISCHE NETZWERKSYNTHESE VON ULTRASCHALLSYSTEMEN . . .
106 5.4.1 ELEKTROMECHANISCHE NETZWERKSYNTHESE VON ZWEI PIEZOELEKTRI
SCHEN SCHEIBEN 107
5.4.2 ELEKTROMECHANISCHE NETZWERKSYNTHESE VON LONGITUDINALSCHWIN GERN
111
6 SYSTEMATISCHE AUSLEGUNG BERUEHRUNGSLOSER, ULTRASCHALLBASIERTER
HANDHABUNGS PROZESSE 1 1 9
6.1 ALLGEMEINES 119
6.2 DETAILLIERTE SYSTEMBESCHREIBUNG DES VERSUCHSSTRAEGERS 119
6.3 EINFUEHRUNG EINER METHODIK ZUR AUSLEGUNG BERUEHRUNGSLOSER
GREIFPROZESSE FUER KLEINE BAUTEILE 122
6.4 UMSETZUNG DER METHODIK AM BEISPIEL DER BERUEHRUNGSLOSEN HANDHABUNG
EINES SILIZIUM-CHIPS 130
6.4.1 IDENTIFIKATION DER HANDHABUNGSAUFGABE 130
6.4.2 MODELLBASIERTE ABSCHAETZUNG DER CHARAKTERISTIK DER
SQUEEZEFILM-LEVITATION 131
6.4.3 MODELLBASIERTE AUSLEGUNG DES ULTRASCHALLGREIFERS 134
6.4.4 MODELLBASIERTE AUSLEGUNG DES HORIZONTALEN KRAEFTEGLEICHGEWICHTS 140
6.4.5 AUSLEGUNG DES VERTIKALEN KRAEFTEGLEICHGEWICHTS 146
6.4.6 BESTIMMUNG DES HANDHABUNGSVERHALTENS 155
II
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS
G.4.7 PROZESSUEBERWACHUNG FUER DIE SYSTEMINTEGRATION 1G1
C.5 TECHNISCHE UND WIRTSCHAFTLICHE BEWERTUNG 164
G.5.1 TECHNISCHE BEWERTUNG 1G4
G.5.2 WIRTSCHAFTLICHE BEWERTUNG 169
7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 1 7 5
7.1 ZUSAMMENFASSUNG 175
7.2 AUSBLICK 178
8 LITERATURVERZEICHNIS 1 8 1
A MATHEMATISCHE GRUNDLAGEN 2 0 5
A . L SATZ VON GAUK 205
A . L . L SPEZIELLE ANWENDUNGSFAELLE DES SATZ VON GAUK 205
A.2 LEIBNIZ-REGEL 205
A.2.1 INTEGRATION DER KONTINUITAETSGLEICHUNG M I T HILFE DER LEIBNIZ-
REGEL 206
A.3 DIFFERENTIALOPERATOREN IN KARTESISCHEN KOORDINATEN 206
A.3.1 GRADIENT IN KARTESISCHEN KOORDINATEN 206
A.3.2 VEKTORDIVERGENZ IN KARTESISCHEN KOORDINATEN 206
A.3.3 LAPLACEOPERATOR IN KARTESISCHEN KOORDINATEN 207
A.3.4 TENSORDIVERGENZ IN KARTESISCHEN KOORDINATEN 207
A.4 POLARKOORDINATEN 207
A.5 ZYLINDERKOORDINATEN 208
A.6 DIFFERENTIALOPERATOREN IN ZYLINDERKOORDINATEN 210
A.6.1 GRADIENT IN ZYLINDERKOORDINATEN 210
A.6.2 VEKTORDIVERGENZ IN ZYLINDERKOORDINATEN 210
A.6.3 LAPLACEOPERATOR IN ZYLINDERKOORDINATEN 211
A.6.4 SUBSTANTIELLE ABLEITUNG IN ZYLINDERKOORDINATEN 211
A.6.5 GRADIENT DER DIVERGENZ IN ZYLINDERKOORDINATEN 212
B ERGAENZUNGEN ZUR THERMODYNAMIK UND FLUIDMECHANIK VON GASEN 2 1 3
B . L ZUSAMMENFASSUNG DER STROEMUNGSMECHANISCHEN GRUNDGLEICHUNGEN FUER
REIBUNGSBEHAFTETE, KOMPRESSIBLE FLUIDE 213
B . L . L DIE STROEMUNGSMECHANISCHEN GRUNDGLEICHUNGEN IN KARTESISCHEN
KOORDINATEN 213
B.L.2 DIE STROEMUNGSMECHANISCHEN GRUNDGLEICHUNGEN IN KARTESISCHEN
KOORDINATEN UND DIMENSIONSLOSER FORM 215
B.L.3 GROESSENORDNUNG DER TERME IN DEN STROEINUNGSMECHAMSCHEN
GRUNDGLEICHUNGEN IN KARTESISCHEN KOORDINATEN U N D DIMENSI ONSLOSER
FORM FUER DIE SCHMIERFILMTHEORIE 217
B.L.4 GROESSENORDNUNG DER TERME IN DEN STROEMIMGSMECHANISCHEN
GRUNDGLEICHUNGEN IN KARTESISCHEN KOORDINATEN U N D DIMENSI- ONSLOSER
FORM FUER DIE SQUEEZE-FILM-LEVITATION 219
B.1.5 DIE STROENIUNGSMECHANISCHEN GRUNDGLEICHUNGEN IN ZYLINDERKOOR
DINATEN 221
C GRUNDLAGEN DER ELEKTROMECHANIK 2 2 3
III
IMAGE 4
INHALTSVERZEICHNIS
C . L ELEKTROMEEHANISCHES ERSATZSCHALTBILD EINES PIEZOELEKTRISCHEN
GRUNDELE MENTS IN LONGITUDINALSCHWINGUNG 223
C.2 ELEKTROMECHANISCHES ERSATZSCHALTBILD DER REIHENSCHALTUNG VON ZWEI
PIEZOELEKTRISCHEN GRUNDELEMENTEN 232
D MATERIALDATEN 2 3 7
D . L FLUIDE 237
D . L . L LUFT 237
D.2 METALLE 237
D.2.1 T I T A N 237
D.2.2 ALUMINIUM 238
D.2.3 STAHL 238
D.3 PIEZOELEKTRISCHE MATERIALDATEN 238
D.3.1 SONOX P 8 238
E ERGAENZENDE ABBILDUNGEN 2 4 1
E . L ERGAENZENDE DRUCKPROFILE 241
E . L . L VERGLEICH DER GEMESSENEN M I T DEN MODELLBASIERTEN
DRUCKPROFILEN 241 E . L . 2 MIT DEN NAVIER-STOKES-GLEICHUNGEN BERECHNETE
DRUCKPROFILE . 245 E.2 CHARAKTERISTIK DES UEBERLAGERTEN STROEMUNGSZUSTANDS
249
E.3 BEISPIELBAUTEIL 255
E.4 SONOTRODENSPITZEN 256
IV
|
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