Sie sind hier: Startseite / Forschen / Projektbeispiele

Projektbeispiele

Profil und Planheit beim Flachbandwalzen von Metallprodukten

Profil und Planheit stellen essentielle Qualitätskriterien bei der Produktion von hochwertigem Stahlflachband und Grobblech dar. Daher ist die Entwicklung von anspruchsvollen mathematischen Offline- und Online-Modellen eine wesentliche Vor­bedingung, um Produkte höchster Qualität herstellen zu können, die sogar die engsten Toleranzanforderungen erfüllen. Das Institut für Mechatronische Produktentwicklung und Fertigung entwickelte mit dem LCM maßgeschneiderte und physikalisch basierte mathematische Simulationsmodelle, die von den Industriepartnern bereits für systematische Parameterstudien verwendet werden.

Die genaue und zuverlässige Berechnung des Materialquerflusses im Walzspalt beim Flachwalzen von Stahlband und Grobblech Flachbandwalzen.pngermöglicht die Vorhersage des sich einstellenden Bandprofils, also der damit verbundenen Änderung von Band­balligkeiten und von Profilübertragungsfunktionen.

Insbesondere für dünnes, breites Warm- und Kaltband treten aufgrund der für Finite Elemente Berech­nungen ungünstigen Längenskalenverhältnisse (Breite versus Dicke) bei der Verwendung kommerzieller Tools sehr hohe Rechenzeiten auf. Daher wurde besonderes Augenmerk auf die Entwicklung maßgeschneiderter, optimierter, elasto-viskoplastischer Bandmodelle gelegt, die auf dem Prinzip der virtuellen Leistung und systematischer Stromlinien-Updates der sich einstellenden Spannungsfelder und der deformierten Geometrie basieren.

Aufgrund der hochgradigen Nichtlinearität dieser Problemstellung erfolgt die Kopplung zwischen den Modellen für den Stofffluss im Band und für die elastischen Walzendeformationen iterativ. Die Modelle sind gut geeignet für systematische Parameterstudien, um den sich einstellenden Materialfluss im Walzspalt und die damit verbundenen Profilübertragungsfunktionen und Planheits­abweichungen im Detail zu untersuchen. Dies ermöglicht in einem weiteren Schritt, verbesserte

Planheitskriterien für das Walzen von Flachband und von Grobblech zu entwickeln.

Für metallurgische Anlagenbauer und Hersteller von Walzprodukten ermöglichen die entwickelten Simulationsmodelle einen vertieften Einblick in kritische Prozessdetails und darüber hinaus auch wertvolle Rückschlüsse auf das Prozess- und Anlagenverhalten. Die Entwicklung verbesserter Profil- und Planheitskriterien beim Flachwalzen von Stahlband und Grobblech bildet eine essentielle Basis für die weiterführende Mechatronisierung – also modellbasierte Produktentwicklung und Fertigung - der betreffenden Fertigungsprozesse und –systeme und ist somit ein entscheidender Schritt vorwärts zur Realisierung der Langzeitvision einer nahtlosen modellbasierten Planung, Vorhersage, Verfolgung, Lenkung und auch Regelung von Produkteigenschaften, um die gestellten Produktanforderungen und Toleran­zen optimal erfüllen zu können.

Lagerloser Reluktanz-Scheibenläufermotor

Dieser vollständig magnetisch gelagerte Antrieb ist weltweit einzigartig und kommt vollständig ohne Permanentmagnete im Rotor aus. Dadurch wird er kostengünstig herzustellen, spart wertvolle Rohstoffe, ist robust und temperaturunempfindlich. Die verwendete lagerlose Motortopologie ist weltweit einzigartig und wurde durchgängig am Institut für elektrische Antriebe und Leistungselektronik mit dem LCM konzipiert, optimiert und in Betrieb genommen.

Die Magnetlagertechnik ermöglicht die vollständig kontaktlose Lagerung einer rotierenden Welle. Das ist inhärent mit großen Vorteilen lagerloser Motor 1.pngverbunden. Diese verschleiß- und schmiermittelfreie Lagerung wird vor allem in Applikationen eingesetzt, die extreme Anforderungen an Reinheit, Lebensdauer und Drehzahlen stellen, wie sie vor allem in der Halbleiterindustrie, der Medizintechnik, im Großmaschinenbau und in der Raumfahrt vorkommen.

Lagerlose Scheibenläufermotoren kombinieren die Magnetlager- und Motorentechnik in einem kompakten Maschinenelement, das neben dem Antriebsmoment auch für die magnetische Lagerung der Welle sorgt. Nach dem Stand der Technik waren dazu bisher immer Rotoren notwendig, die mit Permanentmagnetmaterial ausgestattet sind. Dieses Material weist aber einige Nachteile auf. Zum einen ist es relativ teuer und zum anderen schränkt es den möglichen Temperaturbereich teilweise sehr stark ein.

Dem Institut für elektrische Antriebe und Leistungselektronik (Vorstand o.Univ.Prof. Dr. Wolfgang Amrhein; Dr. Wolfgang Gruber) und der LCM lagerloser Motor 2.pngGmbH ist es in Zusammenarbeit mit der Schweizerischen Levitronix GmbH gelungen, den weltweit ersten lagerlosen Scheibenläufermotor, der ohne Permanentmagnet im Rotor auskommt, erfolgreich in Betrieb zu nehmen. Dies gelingt durch Verwendung eines speziellen Rotors mit ausgeprägtem Reluktanzschnitt, der nur mehr aus ferromagnetischem Material besteht. Messungen haben gezeigt, dass die Performance solcher lagerloser Scheibenläufer-Reluktanz-Motoren mit der von Scheibenläufer­motoren herkömmlicher Bauart durchaus vergleichbar ist.

Durch das Einsparen von Magnetmaterial kann der Rotor sehr viel einfacher und kostengünstiger produziert werden. Zudem ist der Rotor im Vergleich zu herkömmlichen Systemen viel robuster und eignet sich daher auch für höchste Temperaturbereiche. Da die bisher verwendeten Magnetmaterialien im Rotor in den allermeisten Fällen Metalle der Seltenen Erden enthalten, die nur beschränkt verfügbar und als problematisch für die Umwelt gelten, kann auch ein ökologischer Effekt ins Treffen geführt werden.

Effizientes Testen von autonomen Fahrstrategien in realen Verkehrsbedingungen

Im Rahmen des MFP Projektes „Adaptive optimal control for mechatronical systems under unknown operating conditions“ wurde ein Ansatz entwickelt und experimentell validiert, um geeignete Testbedingungen für autonome bzw. semi-autonome Fahrstrategien zu bestimmen. Die Methode selbst beruht auf einer sequentiellen Zerlegung von Straßenabschnitten und einer Analyse der aktuellen Verkehrssituation.

Die Arbeit wurde als Kooperation zwischen dem „Institut für Design und Regelung mechatronischer Systeme“ der JKU Linz sowie dem „Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria“ des Politecnico di Milano durchgeführt. Für experimentelle Messungen im Straßenverkehr stand als Versuchsfahrzeug ein BMW 320 zur Verfügung, ausgestattet mit einem Continental Radarsensor, zwei Stereokameras und einem Echtzeit-Messsystem mit CAN-Bus Schnittstelle zum Fahrzeug.

Das Verhalten anderer VerkehrsteilnehmerInnen - Abstand, Geschwindigkeit, Beschleunigung - wird dabei mit den oben erwähnten Sensoren Testen autonome Fahrstrategien.pngaufgezeichnet. Dies erlaubt die Zerlegung einer Messfahrt in spezifische Fahrmanöver, wie beispielsweise Überholen, einem Fahrzeug folgen etc. Die Kombination der damit erhaltenen Fahrmanöver sowie der Echtzeit-Messungen ermöglicht nun die Identifikation sicherheitskritischer Verkehrssituation und liefert zudem eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Eintreten von Fahrmanövern unter bestimmten Bedingungen. Letzteres ist besonders wichtig, um den ökologischen Einfluss bzw. dessen Auswirkungen zu bestimmen.

Die Ergebnisse der Segmentierung von Straßenabschnitten und die Analyse der Wahrscheinlichkeitsverteilungen für bestimmte Fahrmanöver bietet eine wichtige und vielversprechende Basis, um Werkzeuge für das Testen und Validieren von intelligenten Fahrassistenzsystemen und autonomen Fahrstrategien bezüglich Sicherheit aber auch Performance und Effizienz zu entwickeln.

Dieses Projekt wurde vom Institut für Design und Regelung Mechatronischer Systeme unter Vorstand Univ.Prof. Dr. Luigi del Re mit dem LCM und dem „Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria“ des Politecnico di Milano durchgeführt und umgesetzt.

High Frequency Oscillation Pump: erster Prototyp bereits in Betrieb

Elektrische Energie ist einfach zu verteilen, zu speichern und zu kontrollieren; Hydraulik hingegen kann auf kleinem Bauraum extrem hohe Kräfte erzeugen. Die Industrie sucht nach kleinen und leichten Geräten zur Umwandlung von elektrischer in hydraulische Leistung. Beispielhafte Anwendungen sind batteriebetriebene Rettungswerkzeuge für Autounfälle, Werkzeugmaschinen und Roboter für schwere Lasten.

Eine traditionelle  elektro-hydraulische Wandlereinheit (Powerpack) besteht aus einem HFOP 2.pngMotor, einer Pumpe und einem Untersetzungsgetriebe. Für kleine Leistungen (unter 1kW) weist diese Konfiguration aber ein relativ großes Volumen und hohe Energieverluste auf. Eine bessere Lösung dafür ist eine direkte Verbindung zwischen dem elektrischen Antrieb und der Hydraulikeinheit: ein optimierter Magnet treibt eine Kolbenpumpe mit hoher Frequenz an (High Frequency Oscillation Pump; kurz „HFOP“).

Die hohe Oszillationsfrequenz von etwa 300 Hz erfordert besondere Komponenten, da klassische Maschinen etwa zehnmal langsamer fahren. Schnelle Rückschlagventile sind die wichtigsten Teile dieses Systems: bei hohen Frequenzen müssen sie innerhalb einiger Mikrosekunden schalten; dazu wurde die nichtlineare Dynamik der Rückschlagventile im Detail studiert (Platte-Federn Dynamik, Ölklebeeffekt, Trägheit und Kompressibilität der Flüssigkeit und die Eigenschaften des Stroms und der Strömungskräfte durch das Ventil). Ein erster Prototyp einer HFOP wurde erfolgreich in Betrieb genommen.

Forscher:

  • Eugenio Leati MSc (Institut für Maschinenlehre und hydraulische Antriebstechnik)
  • Dr. Florian Poltschak (Institut für Elektrische Antriebe und Leistungselektronik)

Biomechatronik – Was wir von Frosch und Eidechse lernen können

Die Natur verändert sich und selektiert seit Milliarden von Jahren. Dabei entstehen „Erfindungen“, die die Wissenschaft inspirieren. Auch Univ.Prof. Dr. Werner Baumgartner_mit_Sandfisch 09122014.jpgBaumgartner und sein Team vom Institut für Medizin- und Biomechatronik holen sich Ideen aus der Natur. Ein Schwerpunkt der Forschung betrifft hier die Oberflächeninteraktion zwischen Organismen und ihrer Umgebung. Dabei schauen die WissenschafterInnen unter anderem auch Fröschen und Eidechsen auf die Füße.

Der Sandfisch ist ein interessantes Tier: Zum einen ist er kein Fisch, sondern eine Eidechse. Zum anderen lebt er vergraben im Wüstensand und kann unter der Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Körperlängen pro Sekunde schwimmen. Erstaunlicherweise werden seine Schuppen dabei nicht abgerieben, sondern glänzen immer wie neu – dieses Phänomen weckte das Interesse des JKU-ForscherInnenteams um Baumgartner.
„Die Schuppen des Sandfischs haben mit Sandpartikeln die geringste uns bekannte Reibung. Ein Materialpaar reagiert immer spezifisch, so hat selbst Teflon, das eine sehr geringe Oberflächenenergie hat, immer noch einen doppelt so hohen Reibungswiderstand“, erklärt Prof. Baumgartner.

In mühevollen – aber tierschonenden – Untersuchungen fanden die JKU-ForscherInnen den Grund: Ein spezieller Zucker in den Schuppen des Tieres verhindert das Wirken von Anhaftungskräften und damit auch Reibung. Den JKU-ForscherInnen ist es bereits gelungen, diesen Zucker aus den Schuppen der Tiere zu analysieren und in Labormengen zu gewinnen. „Die Eidechsen häuten sich zum Glück, wir müssen dazu also keine Tiere töten“, versichert Baumgartner. Anwendungen gibt es reichlich. Der Zucker wurde unter anderem chemisch an Kunststoffe gebunden, z. B. an einen Autolack, der rund 30 Prozent weniger Reibung aufweist als der unmodifizierte Lack.

Im Gegensatz zum Sandfisch ist der australische Baumfrosch deswegen interessant, weil er an verschiedensten Oberflächen gut aber dynamisch haften kann. Er kann buchstäblich die Wände hochgehen. Im Terrarium des Instituts für Medizin- und Biomechatronik lebt der Baumfrosch „Emma“, den Baumgartner und sein Team eingehend untersuchten, wodurch sie zu revolutionären Erkenntnissen gelangten. „Viele Tiere, die gut klettern können, haben Hafthärchen. Emma aber, wie auch zum Beispiel Ameisen und Stabheuschrecken, hat völlig glatte Haftorgane“, beschreibt Baumgartner. „Das Erstaunliche ist nicht, dass sie so gut haften, sondern dass sie auch leicht zu lösen sind, ohne zu verschleißen oder zu verschmutzen.“ Nun ist es Baumgartners Team erstmals gelungen, diese Haftorgane künstlich nachzubauen. „Das Geheimnis ist der innere mechanische Aufbau. Er führt zu den hervorragenden Hafteigenschaften und der Fähigkeit, sich bei rollender Bewegung wieder zu lösen.“
Auch das Problem der Deckmembran, quasi der Haut, ist gelöst: Ein spezielles Silikon erfüllt diese Aufgabe. „Interessant ist diese neue Technologie für alle Bereiche, in denen man greifen muss. Also für den Bau von Robotern oder der Entwicklung neuer, besserer Prothesen“, sieht Baumgartner großes Potenzial in der Entdeckung.