Mechatronik

Mechatronik

An wen richtet sich das TAF Mechatronik?

Das TAF Rechnergestützte Mechatronik (Computational Mechatronics) richtet sich an Studierende, die sich für Aspekte der rechnergestützten Modellierung in den Ingenieurswissenschaften interessieren. Dazu zählen Informatiker, Ingenieure, Mathematiker und Physiker. Ein Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik oder Maschinenbau, Informatik oder Mathematik und ein starkes Interesse an der Lösung technischer Probleme sind eine gute Basis für den Master-Studiengang Computational Engineering mit dem TAF Mechatronik.

Was beinhaltet das TAF Mechatronik?

Die Mechatronik ist ein interdisziplinäres Feld, das Softwaretechnik, mechanische und elektrische Ingenieurwissenschaften vereint. Das Ziel der Mechatronik ist es, durch die Integration der Modellierung und Simulation des gesamten Multi-Feld-Systems, Systeme, Geräte und Produkte mit optimaler Gesamtleistung zu entwerfen. Aus der Kombination der verschiedenen Felder können Synergieeffekte erzielt werden, wenn in der frühen Entwicklungsphase genaue Untersuchungen durchgeführt werden. Gekoppelte numerische Simulationen stellen hierbei einen der effizientesten Wege dar, um eine optimale Gestaltung der multidisziplinären Systeme zu erreichen.

In vielen industriellen Prozessen sind Systeme, die mehrere physikalische Phänomene kombinieren, immer präsent. Zum Beispiel im Fall eines elektrodynamischen Lautsprechers ist die Wechselwirkung der elektromagnetischen, mechanischen und akustischen Felder wesentlich für die Leistung des Endprodukts. Die Zusammenführung der bis vor kurzem getrennt durchgeführten Simulationen von jedem einzelnen dieser physikalischen Felder ist eine effektive Möglichkeit zur Optimierung solcher Systeme. In vielen realen Anwendungen ist die Interaktion der verschiedenen physikalischen Phänomene im System nicht länger vernachlässigbar und muss Berücksichtigung finden. Die Entwicklung eines neuen technischen Systems wird mehr und mehr von der Systemebene, Mehrfeldern und präzisen numerischen Simulationen ausgehend durchgeführt, um das System schon vor der Herstellung eines ersten Prototypen zu optimieren. Typische Beispiele von realen Anwendungen sind:

  • Design von elektrodynamischen Lautsprechern
  • Design von elektromagnetischen und piezoelektrischen Antrieben
  • Entwicklung neuer Einspritz-Aktoren für Common-Rail-Dieselmotoren
  • Rauschunterdrückung von elektrischen Transformatoren
  • Design von Ultraschall-Array-Antennen für die medizinische Bildgebung und Therapie
  • Design von Akustischen-Oberflächenwellen-Filtern für Handys
  • Design von mikrobearbeiteten CMOS-Mikrofonen

Das TAF Computational Mechatronics kombiniert die drei erforderlichen Disziplinen für einen erfolgreichen Abschluss in Computational Engineering: Ingenieurwissenschaften, Informatik und Mathematik.

Mit dem TAF Computational Mechatronik werden den Studierenden die notwendigen Kenntnisse für eine erfolgreiche Karriere im Bereich des CAE (Computer Aided Engineering) zur Verfügung gestellt. Spätere Arbeitsbereiche liegen entweder in der akademischen Forschung oder in der Industrie, einschließlich Automobilbranche, Energieerzeugung, Medizintechnik und viele andere.

Wie ist das Programm gestaltet und was wird unterrichtet?

Die beiden wichtigsten Kurse, die Physik mit Mathematik und Informatik verbinden, sind CAE von
Sensoren und Aktoren sowie Numerische Simulation von elektromechanischen Wandlern.

  1. Computer Aided Engineering (Rechnergestützte Entwicklung) von Sensoren und Aktoren
    Diese Vorlesung stellt numerische Berechnung und Grundlagen für Computersimulation von elektromechanischen Sensoren und Aktoren anhand praktischer Beispiele vor. In einem ersten Schritt werden die grundlegenden Konzepte der Methode der Finiten Elemente erläutert. Als Schwerpunkt wird die physikalische Modellierung von elektromagnetischen, mechanischen und akustischen Feldern gelehrt.
    In den Übungen werden die Studierenden Schritt für Schritt alle notwendigen Aufgaben zur erfolgreichen Durchführung numerischer Simulationen von elektromechanischen Sensoren und Aktoren vermittelt.
  2. Numerische Simulation von elektromechanischen Wandler
    Diese Vorlesung zeigt den aktuellen Stand der numerischen Simulation für gekoppelte Feldprobleme, aufbauend auf den Grundlagen aus dem bisherigen Verlauf. Die Methoden werden im modernen Design-Prozess von mechatronischen Sensoren und Aktoren verwendet. Die wichtigsten Themen betreffen die effiziente numerische Behandlung von gekoppelten Feldproblemen, einschließlich der Schwierigkeiten bei der Nichtlinearität. Für die numerische Diskretisierung verwenden wir die Finite-Elemente (FE)-Methode.
    In den Übungen werden die Studierenden in der korrekten Simulation von industriellen Sensoren und Aktoren geschult.

Das Ziel des TAF Mechatronik ist es, Fähigkeiten in der numerischen Simulation, Wissen über die physikalischen Felder und die Funktionalität moderner mechatronischer Systeme zu vermitteln – sowohl mit kommerziellen Programmen sowie bei der Entwicklung von eigenen numerischen Simulationspaketen.

Für die Masterarbeit wird ein Thema aus einem tatsächlichen Forschungs- oder Industrieprojekt der Abteilung für Sensorik untersucht.

Einige ausgewählte Themen für Masterarbeiten:

  • Finite Elemente Simulation der Platte und Flächentragwerke
  • Simulation von strömungsinduziertem Lärm
  • Messung von durchflussinduziertem Lärm-Design eines Aeroakustik-Windkanal
  • Numerische Simulation von steuerungstechnischen Vibrationen und Geräuschen elektrischer Transformatoren
  • Numerische Simulation von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen
  • Numerische Simulation des biomechanischen Verhaltens humanen Gewebes

Welche Vorkenntnisse sind erforderlich, um sich für dieses TAF anzumelden?

Da Mechatronik ein multidisziplinäres Feld ist, sind Vorkenntnisse in mehreren Bereichen erforderlich. Hinsichtlich der physikalischen Phänomene, ist Hintergrundwissen in Standard-Maschinenbau und Themen wie Mechanik der Werkstoffe, Belastungs- und Stressanalyse und das Verständnis der physikalischen Bedeutung von mechanischen Größen notwendig. Eine weitere Anforderung ist die Kenntnis der Grundlagen der elektrischen und magnetischen Felder (Grundlagen der Maxwell-Gleichungen, elektromagnetische Eigenschaften, etc.). Des Weiteren sind Kenntnisse in akustischen und piezoelektrischen Feldern von Vorteil.

Bezüglich des verwendeten numerischen Ansatzes, ist ein grundlegendes Verständnis der Finite-Elemente-Methode erwünscht. Allerdings wird diese Methode auch in den ersten Vorlesungen des Master-Programms behandelt.
Ein weiterer Baustein für die Simulation mechatronischer Systeme ist die Mathematik, die hinter den numerischen Methoden angewendet wird. Die Studierenden sollten daher grundlegende Kenntnisse von partiellen Differentialgleichungen mitbringen. Die numerische Diskretisierung von partiellen Differentialgleichungen ist ein Vorraussetzung, die in einer entsprechenden Vorlesung vermittelt wird. In den Kurse, die im TAF Computational Mechatronik angeboten werden, lernen die Studierenden komplexe Probleme, bei denen die Kopplung der verschiedenen physikalischen Felder und einige ihrer nichtlineare Effekte berücksichtigt werden müssen, zu analysieren und zu optimieren.

Das Buch „Numerical Simulation of Mechatronic Sensors and Actuators“ von M. Kaltenbacher, Springer Verlag, 2004, dient als Leitfaden und kann im Voraus für eine weitere Orientierung bezüglich des TAF Mechatronik konsultiert werden.

Zu welchen Bereichen wird in Erlangen geforscht?

Der Lehrstuhl für Sensorik wurde 1999 gegründet und gehört dem Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik an. Der Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung von neuen mechatronischen Sensoren, Aktoren und Sensoren-Aktoren-Systemen. Ein zentrales Forschungsthema ist hierbei die Entwicklung von effizienten numerischen Verfahren für die Planung und Optimierung solcher Systeme.

1. Electrostatic sensors and actuators

Applications:

  • Capacitive acceleration sensor (airbag sensor)
  • CMOS microphone (mobile phones)
  • Micro-machined gyro sensor (stability control of automobiles)
  • Ultrasound array antennas (medical diagnostics)

2. Piezoelectric sensors and actuators:

Applications:

  • Ultrasound transducers (non-destructive testing, imaging)
  • Surface acoustic wave devices (television, mobile phones)
  • Bimorph actuators (video recorder)
  • High intensity ultrasound sources (cancer treatment)

3. Magnetomechanic sensors and actuators:

Applications:

  • Loudspeaker (e.g., in a car)
  • Acoustic shock wave sources (lithotripsy)
  • Angular sensor (automotive application)
  • Electromagnetic acoustic transducer (non-destructive testing)

4. Acoustic / Solid Interactions:

Applications:

  • Acoustic shields (environment)
  • Loudspeaker enclosure (Hi-Fi applications)
  • Sound emission of diesel engines (automotive industry)
  • Flow induced noise (automotive industry)

Für detailierte Beschreibungen der Forschungsprojekte schauen Sie auf unserer Website vorbei.

Wer ist verantwortlich für dieses TAF?

Dr. techn. Stefan J. Rupitsch

Addresse: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Sensorik
Paul-Gordan-Str. 3/5
91052 Erlangen
Telefon: +49 9131 85 23141
Fax: +49 9131 85 23133
E-Mail: stefan.rupitsch[at]fau.de
Raum 2.030