Regelung akustischer Fallen für die berührungslose Handhabung von Objekten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Ament
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Akustik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502189409

Die berührungslose Manipulation von Flüssigkeitstropfen und sensiblen Festkörpern durch akustische Levitationsmethoden hat zahlreiche Anwendungen in der Chemie, Pharmazie, Biologie und Mikroelektronik. In den letzten Jahren haben aktuelle Fortschritte in der akustischen Levitation die kontrollierte Bewegung schwebender Objekte in 3D ermöglicht, aber unerwünschte Schwingungen behindern einige Anwendungen, die eine hohe Präzision der Bewegung erfordern. Um die Bewegungsgeschwindigkeit zu erhöhen und unerwünschte Schwingungen zu reduzieren, werden wir die Anwendung von Steuerungs- und Regelungssystemen im Zusammenhang mit der akustischen Levitation untersuchen. Bei dieser Untersuchung wird das Fachwissen der deutschen Gruppe auf dem Gebiet der Regelungstechnik mit dem Fachwissen der brasilianischen Gruppe auf dem Gebiet der akustischen Levitationssysteme kombiniert. In dieser Studie werden flüssige und feste Objekte durch ein akustisches Levitationssystem, bestehend aus einem phasengesteuerten Array von Ultraschallwandlern geringer Leistung, levitiert und manipuliert. Es werden regelungstechnische Methoden wie Feed Forward Control und H-Infinity Control angewandt, um sowohl die Oszillation zu reduzieren als auch die Bewegungsgeschwindigkeit des levitierenden Objekts zu erhöhen.Die Untersuchung gliedert sich in drei Teile. Zunächst wird ein geeignetes akustisches Levitationssystem entworfen und ein entsprechendes White-Box-Modell erstellt, dessen Parameter mit Hilfe von Systemidentifikationsmethoden experimentell bestimmt werden. Anschließend verwenden wir das erstellte Modell, um ein Steuerungssystem zur Manipulation von Festkörpern und Flüssigkeiten zu entwickeln. Diese Ergebnisse werden für die Entwicklung einer kamerabasierten Echtzeit-Positionsregelung genutzt, um Modellfehler und Prozessstörungen wie akustische Strömungen zu behandeln. Die Verbesserungen des geregelten Prozesses werden anhand von Kriterien wie dem absoluten Positionsfehler, der Maximalgeschwindigkeit und der Schwingungsamplitude bewertet. Schließlich wird das neue Levitationssystem in eine SAXS-Anlage (Small-Angle X-ray Scattering) integriert, um levitierte Substanzen in der Luft handhaben, mischen und analysieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien
• Partnerorganisation: Fundaçao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo - FAPESP
• Kooperationspartner: Professor Dr. Marco Aurélio Brizzotti Andrade