Prüfungsprotokolle 2017

Noch eine Frage zum Ablauf der Prüfung:

Wie viele Prüflinge waren denn auf einmal im Raum?

Hi zusammen,

bei mir war es ähnlich. Grob zusammengefasst:
- Definition Mechatronik vs Adaptronik
- Piezostapelaktor erklären
- Stimmgabel erklären -> Tilgung -> Elektrischer Schwingkreis
- Isolation: Empfängerisolation passiv und mit einem adaptiven Lager (Dämpfung)

Und immer wichtig: die Übertragungsfunktionen kennen. Vor allem die Diagramme.

Es lief bei mir etwas zäh, so dass nicht so viele Themen behandelt werden konnten, hat aber für ne 1,7 gereicht.

Gruß
Markus

P.S. für alle Interessierten: Voraussichtlich wird die Prüfung ab dem nächtsten Jahr schriftlich durchgeführt (hat Dr. Melz anfangs mal erwähnt).

Ich hatte heute meine Adaptronik-Klausur. Anders als bei meinen Vorgängern hat mich nur Prof. Melz befragt, für den Zweitprüfer blieb keine Zeit mehr.

- Wie sind smarte Wandlermaterialien zu verstehen (wandeln eine Energieform in eine andere)
- Welche Klassifizierungen bzgl. der Stimulation gibt es (elektrisch, magnetisch, thermisch)
- Einige Beispiele zu smarten Materialien aufzählen und ihre Eigenschaften miteinander vergleichen (bei mir wurde vor allem der Unterschied zwischen Piezos (spröde, große Kräfte übertragbar) und Polymeren (weich, größere Dehnungen möglich) gefragt
- Welche kommen aufgrund ihrer Eigenschaften bzgl. Dynamik und Kraftübertragung eher nicht infrage (elektro- und magnetorheologische Flüssigkeiten, da zu wenig Kraft, Kohlenstoffnanoröhrchen, da zu langsam)
- Als Bonusfrage wollte er noch wissen, ob ich es mir zutraue die Funktionsweise von Formgedächtnislegierungen zu erklären (Austenit-Martensit Gefügeumwandlung). Als ich das mit der Gefügeumwandlung gesagt habe, wollte er mit den Worten "Sie haben das ja ganz gut verstanden" schon nicht mehr wissen

- Was ist unter dem erweiterten Lösungsraum zu verstehen (passiv mit Energiewandlung, semi-aktiv, aktiv)
- Beispiel zu passiv mit Energiewandlung (Shunt-Damping)
- Stimmgabel erklären (Resonanz 440 Hz, Kopplung elektrischer und mechanischer Schwingkreis, beide Differentialgleichungen hinschreiben und Analogie der Eigenfrequenz mit Koeffizientenvergleich erkennen)
- Was kann man am elektrischen Schwingkreis ändern, um die zu tilgende Eigenfrequenz einzustellen (Kapazität oder Induktivität)
- Welche Änderung wäre einfacher (Windungen zur Steigerung der Induktivität erhöhen, dafür aber höherer Widerstand)
- Warum ist Kapazitätsänderung durch Flächenvergrößerung nicht sehr hilfreich (Am freien Ende der Stimmgabel tritt kaum noch Schwingung auf, sondern nur an der Einspannung, also gewinnt man durch Flächenvergrößerung des Piezos nicht viel)
- Warum verwendet man bei einem Stapelaktor ringförmige Piezos (Wärmeabfuhr nur über Elektroden, thermische Inhomogenität im Körper kann somit vermieden werden)
- Warum stapelt man die Aktoren überhaupt und verwendet keinen Keramikblock, der so groß ist wie der gestapelte Aktor (Piezos verhalten sich wie Kondensatoren, C=e0*er*(A/t), wenn ich t groß mache (großer Keramikblock) wird C sehr klein, ständiges Umladen im Betrieb, enorme Leistungen die fließen müssten, deswegen lieber parallelgeschaltete Stapel, um Fläche und damit Kapazität zu vergrößern)
- Warum kann ich um den Stapelaktor nicht direkt anliegend eine Zylinderbehausung aus Metall dranbauen (beim Zusammendrücken erfolgt auch eine Querkontraktion und dadurch kann es zu Beschädigungen aufgrund der Sprödigkeit kommen)

- Einmassenschwinger zeichnen mit Übertragungsfunktion
- Tilger draufzeichnen und Unterschied Tilger zu Neutralisator erklären (Strukturresonanz tilgen vs. Erregerfrequenz tilgen)
- Übertragungsfunktion von einem Einmassenschwinger zeichnen und Tilgung ergänzen. Wie würde der Kurvenverlauf einer optimalen Dämpfung aussehen (Schnittpunkte mit Einmassenschwingerkurve auf selber Amplitudenhöhe und dazwischen ein Tiefpunkt)
- Welche Möglichkeiten gibt es Schwingungen zu tilgen (Erregung vermindern, Verstimmen des Systems bzgl. Steifigkeit und Dämpfung, Schwingungskompensation, Empfänger- und Quellenisolation)
- Wie beeinflusst Dämpfung die Tilgung + einzeichnen in ÜF von Einmassenschwinger (breitbandiger, aber dafür keine vollständige Tilgung)
- Wenn ein Schiffsmotor bei einer konstanten Drehzahl betrieben wird und bei einer bestimmten Frequenz angeregt wird, eher Tilgung oder Neutralisation wählen? (Neutralisation, um Erregung zu tilgen)
(Bemerkung: Man sollte auf jeden Fall die Übertragungsfunktionen von Tilger, Neutralisator und Inertialmassenaktor zeichnen können. Wichtig hierbei ist vor allem, dass z.B. bei einer zusätzlichen Masse (Tilger, Neutralisator) eine zusätzliche Resonanz entsteht, von der eine links von der Resonanz des Einmassenschwingers und eine rechts davon liegt.)
- Inertialmassenaktor erklären (stützt sich an der eigenen trägen Masse ab und ist dadurch an sich kein adaptronisches System aber ist aus adaptronischen Systemen zusammengebaut)
- Übertragungsfunktion vom Inertialmassenaktor zeichnen (|Bodenkraft/Aktorkraft| auf Ordinate, bei kleinen Frequenzen liegt das Verhältnis bei 0, eine Resonanz und nach der Resonanz ist das Verhältnis 1)

Alles in allem eine wirklich sehr faire Prüfung und nette Prüfungsatmosphäre. 2-3 mal wurde ich durch die Fragen verwirrt, vor allem beim Inertialmassenaktor, aber selbst da meinte Prof. Melz, dass es evtl. an der Fragenformulierung liegt. Er meinte die Prüfung hätte ihm sehr Spaß gemacht und er hätte mir sehr gerne eine 1.0 gegeben, aber durch die Verwirrungen gegen Ende wurde es dann eine 1.3.
Meine Prüfung ging soweit ich es mitbekommen habe etwas länger, glaube an die 40 Minuten.

Vielen Dank für eure Prüfungsprotokolle!

@berkay, ich habe noch ein paar Fragen bezüglich deiner Aufzeichnungen, vielleicht kannst du mir ja noch helfen?

"...Kopplung elektrischer und mechanischer Schwingkreis, beide Differentialgleichungen hinschreiben und Analogie der Eigenfrequenz mit Koeffizientenvergleich erkennen".
Wie umfassend war die Antwort vom Professor gewünscht?
mx_pp + dx_p + kx = 0 und LQ_pp + RQ_p + Q/C = 0; die Analogien Masse = Induktivität, Dämpfung = Widerstand, Steifigkeit = Kehrwert der Kapazität; sowie nach Umformen auf die Normalform mech. d/m = 2Dw_o entspricht R/L und mech. Eigenfrequenz w_0^(2) = k/m entspricht el. Eigenfrequenz 1/LC, oder noch mehr?

"Warum ist Kapazitätsänderung durch Flächenvergrößerung nicht sehr hilfreich (Am freien Ende der Stimmgabel tritt kaum noch Schwingung auf, sondern nur an der Einspannung, also gewinnt man durch Flächenvergrößerung des Piezos nicht viel)"
Ging es dem Professor um eine generelle Flächenvergrößerung, welche nach F = (EA)/l * delta_l ja eigentlich in einer größeren, nutzbaren Aktorkraft resultieren sollte, oder darum die Piezo-Patches des el. Schwingkreises bis zu den Enden der Gabeln aufzubringen, wo, wie du bereits gesagt hast, kaum noch Schwingungen auftreten und die Kraft somit nicht sinnvoll auf das System wirken kann?

"Warum verwendet man bei einem Stapelaktor ringförmige Piezos (Wärmeabfuhr nur über Elektroden, thermische Inhomogenität im Körper kann somit vermieden werden)"
Die Frage nach einem ringförmigen Stapelaktor kam ja bereits in einem älteren Protokoll, ich hatte mir das Ganze derart erklärt, dass ein als Ring bzw. Hohlzylinder ausgeführter Stapel pro Aktorvolumen eine deutlich größere Oberfläche zur Wärmeabfuhr bietet und zusätzlich durch die Belüftung der inneren Oberfläche thermischen Inhomogenitäten/Schädigungen besser vorbeugt als ein massiver rechteckiger Stapel.
In wiefern spielt die Elektrodierung eine Rolle, die Elektroden sollten doch in beiden Bauformen gleichermaßen deutlich bessere thermische Leitfähigkeiten aufweisen als die Keramik?

" Warum stapelt man die Aktoren überhaupt und verwendet keinen Keramikblock, der so groß ist wie der gestapelte Aktor (Piezos verhalten sich wie Kondensatoren, C=e0*er*(A/t), wenn ich t groß mache (großer Keramikblock) wird C sehr klein, ständiges Umladen im Betrieb, enorme Leistungen die fließen müssten, deswegen lieber parallelgeschaltete Stapel, um Fläche und damit Kapazität zu vergrößern)"
Diese Erklärung verwirrt mich am meisten.
Ich hatte es so verstanden, dass man grundsätzlich deshalb stapelt, um eine Stellwegvergrößerung des Aktors zu erreichen.
Weshalb man den Aktor nicht aus einer einzelnen Keramik mit den Maßen eines Stapels fertigt, war für mich mit der niedrigeren benötigten Steuerspannung begründet, die nach U = Et (Folie 35 Unit 6) von der Schichtdicke der Keramik abhängt.
Bezüglich der benötigten Leistung zum Umladen im zyklischen Betrieb verhält es sich meiner Meinung nach genau umgekehrt P = 1/2*C*U^(2)*f (Folie 19 Unit 6), wonach eine geringe, und nicht wie du sagst, eine große Kapazität vorteilhaft bezüglich des Leistungsbedarfs ist.
Beim Leistungsbedarf stehen die Kapazität mit C = n*e_0*e_r*(A/t) (Folie 19 Unit 6) und die Spannung U = Et im Konflikt miteinander, jedoch geht die Schichtdicke über die Spannung quadratisch ein, über die Kapazität nur linear, somit ist der Leistungsbedarf durch eine Reduktion der Schichtdicken zu optimieren und ein Stapel- einem "Block"-Aktor vorzuziehen.
Wo liegt mein Fehler?

EDIT:
Ich habe nun noch einmal ein wenig herumgesucht und bin über folgende Links gestolpert:

https://www.piceramic.de/de/pi…ktoren/ansteuerverhalten/
Zitat: "Demnach hat ein PICMA® Stack Aktor mit einer Schichthöhe von 60 μm eine ca. 70 mal höhere Kapazität als ein volumengleicher PICA Stack Aktor mit einer Schichthöhe von 500 μm. Die elektrische Leistungsaufnahme P beider Typen ist aufgrund der Beziehung P ~ C V2 etwa gleich, da sich die Ansteuerspannung proportional zur Schichthöhe verändert"

https://www.piezosystem.de/piezopedia/piezo_theorie/
Zitat 1: "Um nicht mit sehr hohen Spannungen arbeiten zu müssen, wird eine Parallelschaltung mehrerer dünner piezokeramischer Scheiben verwendet, es entsteht der piezoelektrische, gestapelte Aktor oder Actuator oder einfach Piezostapel"
Zitat 2: "Ein Niedervoltstapel (Index 1; Parameter wie Beispiel 10) wird ersetzt durch ein Hochvoltelement gleicher aktiver Länge (Index 2). Der Einfachheit halber werden gleiche Dielektrizitätskonstanten beider Stapel angenommen, zur Anwendung kommt Gleichung (3.7.1.). Die Scheibendicke des Hochvoltstapels ist um den Faktor 5 höher (ds2 = 5·ds1), dementsprechend ist die Scheibenanzahl um den Faktor 5 niedriger (n2 = 1/5·n1). Damit ergibt sich für die Kapazität des Hochvoltstapels C2 = C1/25.
Bei Ersatz eines Hochvoltstapels durch einen Niedervoltstapel wird eine kleinere Ansteuerspannung benötigt. Dafür steigt die Kapazität des Aktors quadratisch an"
Zitat 3: "Beachten Sie bitte:
Aufgrund ihrer höheren Kapazität benötigen Niedervoltaktoren wesentlich höhere Lade- und Entladeströme. Dieser Sachverhalt spielt bei statischen und quasistatischen Anwendungen eine untergeordnete Rolle, wird aber bedeutend für dynamische Anwendungen"
Zitat 4: "Auf Grund der Hebelübersetzung ist die Kapazität des gesamten Systems wesentlich geringer als die Kapazität eines entsprechenden Stapels (mit der gleichen Bewegung). Dies kann vorteilhaft sein für dynamische Anwendungen wegen der geringeren elektrischen aktuellen Anforderungen (siehe auch Abschnitt 10.2. Strombedarf)"

Ich würde also sagen, wir nutzen (Niedervolt-)Stapelaktoren statt (Hochvolt-)Vollaktoren, da die geringeren Schichtdicken die benötigte Steuerspannung reduzieren, nicht, wie zuvor genannt, um den Stellweg gegenüber einer Vollkeramik zu erhöhen.
Eine konstruktive Lösung zur Eindämmung der Kapazität von Stapelaktoren könnte es sein Wegübersetzungen zu nutzen und somit mit weniger Schichten und damit mit einer geringeren Kapazität des Aktors auszukommen.
Laut unserer Formel mit P = 1/2*C*U^(2)*f erkenne ich jedoch noch immer nicht in wiefern man zu einem abweichenden Leistungsbedarf für verschiedene Bauweisen kommt.
Man spiele nur einmal die Variante einer Vollkeramik mit t_1 = 50 und n_1 = 1 gegen einen Stapelaktor mit t_2 = 5 und n_2 = 10 durch.
P_1 = 1/2*1*e_0*e_r*(A/50)*(E*50)^(2)*f und P_2 = 1/2*10*e_0*e_r*(A/5)*(E*5)^(2)*f, nach Kürzen aller konstanten Größen (e_0, e_r, A, E, f) erhält man P_1 = 50 und P_2 = 50, was dem Hinweis des Links von PI Ceramics entspricht, nicht aber dem allgegenwärtigen Hinweis, dass der Leistungsbedarf von Stapelaktoren im dynamischen Betrieb kritisch sei?

@JanERDi ja klar
also zu deiner ersten Frage bzgl. der Kopplung zwischen den Schwingkreisen: Er wollte die beiden Differentialgleichungen einzeln stehen haben und hat dann nur noch nach der elektrischen Eigenfrequenz gefragt, das war mit Analogie gemeint.

2. Frage: da ging es um letzteres, also dass es nicht viel bringt, die bis zum Ende der Stimmgabel aufzukleben.

3. Ich glaub ich hab meine Antwort falsch formuliert, deine Antwort ist völlig korrekt. Ich meinte, dass ja eine Keramik eine sehr schlechte Wärmeleitung aufweist und die entstehende Wärme nur über die Elektroden abfließen kann. Das würde ja bei einem rechteckigen Block zu Inhomogenitäten führen, aber wie du ja richtig sagst, kannst du das ja mit ringförmigen Aktoren vermeiden.

4. Bei deiner letzten Frage muss ich gestehen, dass ich mir da nicht so sicher bin. Kann auch sein, dass ich das falsch protokolliert habe. Glaub sogar, dass ich auch über die Spannung argumentiert habe letztendlich. Aber das mit der Stellwegvergrößerung habe ich auch genannt.

Vielen Dank für deine Antwort, gut zu hören, dass die ersten drei Fragen klar sind.

Vielleicht sieht jemand beim Stapelaktor meinen Denkfehler bzw. kann das Ganze noch einmal abschließend erklären?

Also ich hätte es tatsächlich so erklärt, dass du ja nicht den kompletten Kondensator im dynamischen Betrieb entladen musst. Wenn du allerdings eine geringe Kapazität hast dann musst du das ja ständig ent- und erneut beladen.

Dem kann ich gerade nicht folgen?

Hi!
ich habe mir über genau diese Frage, warum man vorzugsweise Stapelaktoren statt der Vollkeramik verwendet auch den Kopf zerbrochen... Meine Erklärung wäre folgende:
Wie schon erwähnt kann die Wärmeableitung nur über die Elektroden erfolgen, was bedeutet, dass sie bei Stapelaktoren wesentlich effektiver ist. Stapelaktoren erwärmen sich im Betrieb also weniger als Vollkeramiken. In Unit 5 Folie 63 ist ein Diagramm von PZT dargestellt, welches zeigt, dass die Kapazität von PZT temperaturabhängig ist (je höher die Temperatur desto höher die Kapazität). Folglich wäre in der Vollkeramik eine höhere Kapazität vorhanden, was zu einem höheren Leistungsbedarf führt.

Guten Morgen!

@Tommy7, ich denke nicht, dass der Kapazitätszuwachs durch thermische Erwärmung in Vollkeramik derart drastischer auftritt als in Stapelaktoren, vor allem in Anbetracht der starken Kapazitätszuwächse der Stapelaktoren durch Aufstapeln von n Schichten reduzierter Dicke, als dass dies den Fertigungsaufwand rechtfertigt. Ein positiver Nebeneffekt ist die geringere thermische Belastung der Stapelaktoren aber sicherlich.

Ich habe gestern noch einmal weiter gesucht und Folgendes gefunden:

Dissertation am IMS:
"Unabhängig vom Herstellungsverfahren liegt die maximal zulässige elektrische Feldstärke bei etwa 2 kV/mm. Mit der Folientechnik lassen sich geringere Schichtdicken realisieren, so dass zum Erreichen der
2 kV/mm Grenze niedrigere elektrische Spannungen notwendig sind. Dementsprechend spricht man hier von Niedervoltaktoren. Die für die geklebten Aktoren notwendigen Keramikscheiben werden durch das Zersägen von
Keramikstangen gewonnen. Hierbei ergeben sich höhere Schichtdicken. Dementsprechend sind zum Erreichen der 2 kV/mm Grenze höhere elektrische Spannungen notwendig. Deshalb wird von Hochvoltaktoren gesprochen.
Diese Arbeit beschränkt sich auf Hochvoltstapelaktoren. Diese sind mit größeren Stirnflächen verfügbar. Dies führt zu größeren Aktorkräften. Außerdem weisen diese pro Volumen eine deutlich geringere elektrische Kapazität auf, was zu niedrigeren Strömen im dynamischen Betrieb führt."

PI Ceramics:
"Betriebsspannung
Es haben sich zwei Typen von Piezoaktoren durchgesetzt: Monolithisch gesinterte PICMA® Multilayeraktoren (Niedervoltaktoren) arbeiten bei Spannungen bis ca. 130 V und bestehen aus Keramiklagen von 20 bis 100 μm Dicke.
Klassische Hochvoltaktoren (PICA Hochleistungsaktoren) sind aus 0,5 bis 1 mm dicken Scheiben aufgebaut und werden bei Spannungen bis zu 1.000 V betrieben. PICA Aktoren können mit größeren Querschnitten und daher für größere Belastbarkeit gefertigt werden als die kompakteren monolithischen Multilayer-Piezoaktoren."

CeramTec:
"Der Umwandlungsvorgang wird auch als Aktorik oder Aktuatorik bezeichnet. Die für eine Aktor-Auslenkung von 1,4 bis 1,7‰ benötigten elektrischen Feldstärken liegen normalerweise bei etwa 2.000 V/mm. CeramTec Piezo-Aktoren bestehen aber aus bis zu 500 etwa 0,1 mm dicken piezokeramischen Blei-Zirkonat-Titanat-Schichten (PZT) aus dem Werkstoff SONOX® P505 und werden nach speziell entwickelten Stapel- und Sinter-Verfahren hergestellt. Dadurch kann die maximale Dehnung oder Auslenkung mit linearen Piezoaktoren von CeramTec schon bei relativ niedrigen Spannungen von 200 V erreicht werden."

PiezoSystem:
"Für die oben genannte Dehnung von ca. 10 µm wird wiederum ein ca. 10 mm langer Aktor benötigt. Dieser besteht nun aus einer Parallelschaltung von 100 Scheiben mit einer Dicke von 100 µm. Die max. Arbeitsspannung ist niedriger geworden und beträgt 130 V (Niedervoltaktor). Durch die höhere Anzahl der Scheiben steigt die Kapazität des Aktors. Diese Eigenschaft ist bedeutend für dynamische Anwendungen (siehe auch Kapitel 3.7: Kapazität, Kapitel 5: Dynamische Eigenschaften und Kapitel 10: Elektroniken). Technologisch ist die Herstellung der Multilayer- oder Niedervoltaktoren im Vergleich zu den traditionellen Hochvoltaktoren weitaus komplizierter. Um optimale mechanische und elektrische Eigenschaften zu erzielen (z.B. Steifigkeit) werden intensive Forschungsarbeiten durchgeführt. Ziel ist die Herstellung sogenannter monolithischer Aktoren, bei denen die Rohkeramik zusammen mit den Elektroden gesintert wird. Auf diese Weise wird der Aktor in einem System hergestellt. Dadurch besitzt der Aktor ähnliche Eigenschaften, wie eine Vollkeramik." ... "
Aufgrund ihrer höheren Kapazität benötigen Niedervoltaktoren wesentlich höhere Lade- und Entladeströme. Dieser Sachverhalt spielt bei statischen und quasistatischen Anwendungen eine untergeordnete Rolle, wird aber bedeutend für dynamische Anwendungen." ... "Für dynamische Anwendungen muss aber die Problematik des Lade- und Entladevorgangs der großen Kapazitäten C der Keramik betrachtet werden." ... "Bei dynamischer Betriebsweise kann die Größe des benötigten Stroms sehr hoch sein, sodass die Anstiegszeit der Spannung und weitere Größen der Bewegung oft durch den maximalen Strom der Stromversorgung festgelegt werden." ... "Auf Grund des hohen Strombedarfs, der für dynamische Anwendungen benötigt wird, ist auch die benötigte elektrische Leistung hoch. Die Leistung Pmax für eine sinusförmige Ansteuerung eines Piezoelements mit der Frequenz f und der Kapazität C ergibt sich aus:"

Ich würde also zusammenfassend sagen, dass Piezokeramiken zum Erreichen ihrer maximal nutzbaren Dehnung in Anbetracht einer vom Aufbau unabhängigen Obergrenze des ertragbaren elektrischen Feldstärke von 2 kV/mm in erster Linie deshalb als Stapel- oder Multilayeraktoren gebaut werden um mit geringeren Betriebsspannungen als Vollkeramiken betrieben werden zu können. Probleme sind Steifigkeitsverluste durch eingeschobene Elektroden und bei Stapelaktoren vor allem durch den Kleber - gepresste und zu einem Monolith versinterte Multilayeraktoren haben dieses Problem nicht. Weiterhin ist zu beachten, dass die Gesamtkapazität der Mehrschichtaktoren mit abnehmender Schichtdicke und zunehmender Schichtanzahl zunimmt und dies Einfluss auf den zum Umladen benötigten Strom- und damit Leistungsbedarf im dynamischen Betrieb zu haben scheint (auch wenn ich dies mangels elektrotechnischer Fähigkeiten nicht formelmäßig beweisen kann). Um die Gesamtkapazität der mehrschichtigen Keramik in Grenzen zu halten, ist es konstruktiv denkbar eine Wegübersetzung zu nutzen und somit die Anzahl der Schichten zu begrenzen. Abgesehen davon bieten Stapel- und Multilayeraktoren durch die eingeschobenen Elektroden im Vergleich zur Vollkeramik eine bessere Wärmeabfuhr.