Synthese nachgiebiger Mechanismen in der Kraftmess- und Wägetechnik für Präzisionsanwendungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Fröhlich; Professorin Dr.-Ing. Lena Zentner
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461797997

Nachgiebige Mechanismen zeichnen sich durch Vorteile wie Wartungsfreiheit, Reibungs- und Schmiermittelfreiheit sowie hohe Reproduzierbarkeit aufgrund ihres monolithischen Aufbaus aus, was sie ideal für Präzisionsanlagen und die Messtechnik macht. Allerdings zeigen Metalle zeitabhängige Verformungen, bekannt als elastische Nachwirkungen. Aktuell sind außer einkristallinen Werkstoffen keine Materialien bekannt, die frei von diesen Nachwirkungen sind. Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist es daher, elastische Nachwirkungen während Messungen zu minimieren oder idealerweise zu eliminieren. Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Projektphase wurde festgestellt, dass neben der theoretischen Korrektur elastischer Nachwirkungen der Einsatz einer neuartigen konstruktiven Kompensation vielversprechend ist. Daher fokussiert sich dieses Vorhaben auf die modellbasierte Erforschung dieser Kompensation sowie die Erarbeitung von Methoden, die ein gezieltes, schnelles und effektives Design kriechkompensierender Systeme ermöglichen. Ein solches System besteht aus einem Verformungskörper und einem Kompensationsmechanismus mit negativer Steifigkeit. Die zugrunde liegende Hypothese besagt, dass durch die parallele Anordnung und Abstimmung beider Teilsysteme die elastischen Nachwirkungen kompensiert werden können. Dieser Ansatz ist in der aktuellen wissenschaftlichen Literatur nicht dokumentiert. Zunächst werden modellbasierte Untersuchungen der Verformungskörper und Kompensationsmechanismen durchgeführt, wobei dimensionslose Parameter in analytischen Modellen skaliert werden. Für die Verformungskörper werden unter anderem Verkippungen infolge der Erdanziehung modelliert und das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche experimentell untersucht. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen fließen in die Richtlinien der Designmethoden ein. Anschließend werden die Kompensationsmechanismen zur Minimierung elastischer Nachwirkungen modellbasiert analysiert, und es wird eine entsprechende Designmethode entwickelt und experimentell validiert. Für die kriechkompensierten Systeme werden spezifische Designmethoden erarbeitet, wobei die Herausforderung darin besteht, die beiden Teilsysteme so aufeinander abzustimmen, dass die elastischen Nachwirkungen möglichst vollständig kompensiert werden. Abschließend werden mindestens zwei Demonstratoren entworfen, gefertigt und experimentell untersucht, um die Funktionsfähigkeit zu prüfen und die aufgestellten Modelle zu verifizieren. Die entwickelten Analyse- und Designmethoden finden nicht nur in der Messtechnik und Präzisionstechnik Anwendung, sondern können auch auf nachgiebige Mechanismen in der Robotik und Medizintechnik übertragen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen