Prof. Dr.-Ing. Detlef Redlich

Inhalt

In der Vorlesung wird auf die Prinzipwahl, die Gestaltung und Berechnung dieser Elemente eingegangen:

• Nichtlösbare Verbindungen wie Schweißen, Löten, Kleben usw.
• Lösbare Verbindungen wie Schraubverbindungen, 
• Bewegungsschrauben,
• Welle Nabe Verbindungen
• Mechanische Speicherelemente
• Drehbewegungselemente (Achsen, Wellen, Lager, Schmierstoffe)
• Dichtungen, Kupplungen, Bremsen, Anschläge
• Zahnräder Getriebe (Abmessung, Gestaltung, Zahnradpaare)
• Hülltriebe (Riementriebe, Schneckentriebe)

Qualifikationsziele

Mechanische Bauelemente oder in der Feinwerktechnik auch Feinwerktechnische Elemente genannt, sind Bestandteile eines jeden Gerätes. Sie bestimmen im entscheidenden Maß dessen Funktion, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Kosten. Vergleichend mit der Definition des Begriffes Element in der Chemie kann das Bauelement im weitesten Sinne als das kleinste, nicht mehr sinnvoll zu zerlegendes und in gleicher oder ähnlicher Form immer wieder verwendetes Bauteil im technischen Anwendungsbereich verstanden werden. Hierunter sind sowohl Einzelbauteile wie Schrauben, Stifte, Wellen, Zahnräder, Federn usw. zu verstehen, als auch Bauteile, die zwar aus mehreren Einzelbauteilen bestehen, aber hinsichtlich ihres Einsatzes als einheitliches Bauteil verwendet werden, wie z.B.   Wälzlager, Kupplungen, Ventile usw.

Prüfung

Alternative Prüfungsleistung

Inhalt

• Entwurfsmethodik  elektronischer Baugruppen
• Verbindungstechnik
• Thermalmanagement
• Gestaltung des  äußeren Geräteaufbaus

Qualifikationsziele
 
Ausgehend vom der Erlernung der Methodik zum Entwurf elektronischer Baugruppen werden Kenntnisse über Gerätebau typische Verbindungstechniken, dem Thermalmanagement und der Gestaltung des  äußeren Geräteaufbaus

vermittelt, so dass diese dem Entwickler anwendungsbereit zur Verfügung stehen.

Die Entwurfsmethodik wird durch die Anwendung von CAD und FEM Software begleitet

Prüfung

Alternative Prüfungsleistung

Durch Thermosimulation, Aufbau von Mustern und deren Integration in geeigneten Applikationen werden neuartige Bauelemente gestaltet. Hier der spezielle Entwurf eines Kühlkörpers aus einem besonderen Werkstoff. Es gelang hierbei insbesondere das Gewicht entscheidend zu verringern.

Der spezielle Entwurf mittels Thermosimulation von Bauteilen aus besonderem Werkstoff führt zu einer Verringerung des Fertigungsaufwandes und Verbesserung der Applikationseigenschaften.

Der komplexe Entwurf der Kühlbaugruppe (Heatpipes, Lüfter, Luftleitbleche, Kühlkörper) mittels einer Fluidsimulation

Optimierung von Baugruppen oder Bauteilen unter thermischen Gesichtspunkten

Ziel ist es dem Anwender Vorschläge zur Verbesserung der Wärmeabführung zu unterbreiten und damit die Funktionsfähigkeit zu gewährleisten, bzw. die Leistungs-Parameter der Baugruppe zu verbessern. Hier Optimierung eines Bauteils hinsichtlich seines Temperaturverhaltens und seines Strömungswiderstandes. Das dargestellte Gerät wurde durch iterative Veränderung der Konstruktion und der jeweiligen Simulation optimiert und das Ergebnis durch IR Messtechnik überprüft.

Die Thermosimulation ermöglicht es, für verschiedene Applikationsvarianten von Bauteilen unter erheblicher Verringerung kostenintensiver Versuche, Fehlerquellen aufzudecken.

Die untenstehende in einem Mehrschichtverfahren vergossene Baugruppe der Leistungselektronik wurde hinsichtlich Temperaturindizierter mechanischer Spannungen untersucht und die Fehlerquelle behoben.

Die Sicherung der Einsatzfähigkeit stellt bei einer Vielzahl von elektronischen Baugruppen ein entscheidendes Qualitätsmerkmal dar. Hier liegen vor allem Erfahrungen beim Entwurf von Elektronikkomponenten für Raumfahrt-anwendungen vor. Die besonderen mechanischen und thermischen Belastungen werden durch Simulation der Baugruppen in eine geeignete und einem Kundenreview standhaltende  Konstruktion umgesetzt.

Durch den Einsatz einer Flüssigkeitskühlung kann die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Transformatoren signifikant erhöht werden. Die Optimierung der Kühlkomponenten und die Beurteilung von Grenzsituationen ist Gegenstand fluidmechanischer FEM Simulationen.

FEM Simulation eines wassergekühlten 25 kVA Transformator

Aufbau einer stationären interdisziplinären FEM Simulation zur Abbildung des realen Thermalhaushalts eines wassergekühlten Transformators. Im Simulationsmodell sind neben den entstehenden dissipativen Leistungen,

die Strömungsberechnung in den für die aktive Kühlung vorgesehenen Rohrleitungssystem sowie die natürliche Konvektion zu berücksichtigen. Ziel dieses Vorhabens ist die Evaluierung geeigneter Maßnahmen zur Beeinflussung des Temperaturprofils. Die erarbeiteten Lösungen sind als allgemeine Konstruktionsrichtlinien für den Transformatorbau zusammenzufassen.

Folgende Untersuchungen sind vorgenommen worden:

• Variation der Wasser-Vorlauftemperatur
• Variation der Strömungsgeschwindigkeit im Rohrleitungssystem
• Bewertung der Verringerung des thermischen Widerstands zwischen Rohrleitungssystem und der Spulenwicklungen
• Einfluss der Isolierwerkstoffe am Transformator
• Verringerung der resultierenden Temperaturen durch eine thermische Anbindung am Sockel des Transformators

Die Untersuchungen und Ergebnisse sind im Rahmen einer Diplomarbeit entstanden.

Die thermoelektrischen Zeilendetektoren sind extrem empfindlich gegenüber Wärmestrahlung. Wird die Sensorzeile (Sensorarray) mit einem Schaltkreis in einem Gehäuse (Das Gehäuse wird evakuiert, um Wechselwirkungen mit den Gasmolekülen und dem Sensor zu vermeiden) verbaut, so entstehen durch die Wärmeentwicklung im IC Störungen auf der Sensorzeile (Sensorarray). Durch thermische Simulationen ist sicherzustellen, dass diese Störungen, entweder möglichst gleichmäßig über der Zeile verteilt sind, oder die Störungen möglichst minimiert werden

Untersuchungen:

• maximale Verlustleistung in einer statischen Thermosimulation
• maximale Verlustleistung in einer transienten Thermosimulation, für den Fall das der ASIC nur zeitweise eingeschaltet ist
• Wie groß ist der Einfluss bei Verminderung der Wärmestrahlung, durch zusätzliches ASIC-Gehäuse
• Wie viele ASICs können maximal eingesetzt werden unter Berücksichtigung der Grenztemperaturen und Temperaturprofil über der Messzeil