Projekttr?ger

Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

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Projektzeitraum

2023 - 2025?

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Projektbeschreibung

Mikroaktoren erreichen schnelle und pr?zise Bewegungen im Mikro- und Millimeterbereich durch effiziente Wirkprinzipien wie Piezoelektrizit?t, Elektrostatik und Magnetismus. Im Gegensatz zu makroskopischen Aktoren ist deren Bewegungsraum allerdings aufgrund von Rückstellkr?ften durch mechanische Federn in der Regel stark beschr?nkt. Um diese Restriktion zu umgehen, wurden im DFG-Projekt Kick & Catch zwei auf frei beweglichen Massen basierende Mikroaktorsysteme untersucht, welche jeweils gro?e lineare oder rotatorische Bewegungen erm?glichen. Die Aktorsysteme beruhen dabei auf kooperativer Zusammenarbeit mehrerer Mikroaktoren und sind multistabil, ben?tigen also keine Energiezufuhr, um mehrere vordefinierte Ruhelagen stabil halten zu k?nnen. Multistabile Aktorsysteme mit gro?em Arbeitsbereich stellen die Grundlage für die Entwicklung fortgeschrittener Anwendungen und Einsatzgebiete von Mikroaktoren dar.

Das ebenfalls durch die DFG gef?rderte Folgeprojekt ADOPT baut auf den Ergebnissen der ersten Projektphase auf und erforscht die Integration der linearen und rotatorischen Aktoren zu einem komplexen Aktorsystem. Dieses soll als Mikrospiegel fungieren und sowohl gro?e rotatorische Bewegungen erzielen, als auch in seiner vertikalen Position verstellbar sein k?nnen. Durch den Zusammenschluss mehrerer dieser Aktoren zu einem Array entsteht dadurch ein Mikrospiegelsystem – ?hnlich dem Hauptspiegel des James-Webb-Teleskops – welches durch die Anpassung der Krümmung insbesondere Terahertzstrahlung sowohl refokussieren als auch gezielt umlenken kann. Die Herausforderungen zu Design, Modellierung, Untersuchung der Kopplungseffekte, sowie der effizienten Regelung wird in Kooperation mit Projektpartnern der Universit?ten Freiburg und Bochum, sowie der Jade Hochschule bew?ltigt. Der Lehrstuhl für Regelungstechnik der Universit?t Augsburg entwickelt hierfür insbesondere Algorithmen zur Systemidentifikation und Regelung, welche klassische Methoden mit denen aus dem Bereich des maschinellen Lernens kombiniert.

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Projekttr?ger

Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie

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Projektzeitraum

2022 - 2025??

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Projektbeschreibung

Gemeinsam mit der ATOMA GmbH erforscht der Lehrstuhl für Regelungstechnik in der Ingenieurinformatik die Anwendung moderner KI-Methoden für Kombinationswaagen. Kombinationswaagen werden eingesetzt, um Güter wie beispielsweise Lebensmittel schnell und pr?zise zu portionieren. Dazu werden in mehreren W?gezellen Teilmengen erfasst und vorteilhaft zu einer Gesamtmenge kombiniert.

Hohe Anforderungen an Genauigkeit und Prozessgeschwindigkeit und der breite Einsatzbereich machen Kombinationswaagen zu einem herausfordernden Anwendungsgebiet lernender Verfahren.??Das breite Güterspektrum, das mit Kombinationswaagen portioniert wird, macht die Nutzung qualitativer Messungen im Regelprozess notwendig. Die Verbindung dieser qualitativen Daten mit quantitativen Gr??en stellt eine gro?e Herausforderung für lernende Regelverfahren dar. Trotz dieser Heterogenit?t muss Geschwindigkeit, Pr?zision und Zuverl?ssigkeit der Waage durch die Regelung gew?hrleistet werden.??

Für alle geplanten Vorhaben wird eine umfangreiche Datenbasis ben?tigt, die ebenfalls im Rahmen des Projektes entstehen soll. Dazu müssen die bestehenden Maschinen um die notwendige Infrastruktur erweitert und eine geeignete Datenaufbereitung entwickelt werden.

Zus?tzlich soll ein Framework zum Training eines digitalen Zwillings entwickelt werden, der es erm?glichen soll, die Entwicklung und Wartung solcher Maschinen zu optimieren und als Testumgebung für neue Regelungsans?tze für Kombinationswaagen dienen soll.

Projekttr?ger

Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

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Projektzeitraum

2020 -?? ??2022??

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Projektbeschreibung

Aus dem Stand?der Technik für elektrostatische Aktoren ergibt sich, dass das elektrische Feld nach wie vor das vielversprechendste Antriebsprinzip in der Mikrosytemtechnik ist und es viel mehr Ans?tze als nur Kamm-Antriebe und digitale Parallel-Platten-Aktoren gibt. Bislang wurden aber zumeist einzelne elektrostatische Effekte?untersucht. Interaktionen wurden nur berücksichtigt, wo dies zwingend notwendig war,?wie beim Pull-In Effekt. Gründe hierfür k?nnten das einfache und zumeist eindimensionale Design für diskrete Effekte, die Bevorzugung von kaskadierten Aktoren für komplexe Antriebssteuerungen, die Komplexit?t der Wechselwirkungen von elektrischen Feldern im Raum und insbesondere die weitgehend getrennte Forschung im Bereich der ?trockenen“ Dom?ne MEMS und der ?nassen“ Dom?ne Mikrofluidik sein. Dieses Projekt verfolgt das Ziel verschiedene Antriebseffekte des elektrischen Feldes auf Festk?rper und Flüssigkeiten in einem Aktorkonzept zusammenzufassen, das auf einer frei beweglichen Plattform auf einer flüssigen Lagerung beruht. Es adressiert sowohl gro?e Bewegungsbereiche als auch die pr?zise Feinjustierung. Es zielt auf ein besseres Verst?ndnis der Kopplung verschiedener Effekte ab. Dazu sind klassische Platten-Aktoren und flüssige Dielektrika im selben einstellbaren elektrischen Feld angeordnet. Digitale, multistabile wie fein kontrollierbare Effekte sind hier zusammengefasst. Inh?rente Sensoren zur Ortsbestimmung sind in Form der differentiellen Kapazit?ten vorhanden, die Aktor-Elektroden k?nnen hierzu entsprechend genutzt werden. In der erste Phase des SPP ist ein Demonstrator zur Kombination von vier Effekten geplant. Er umfasst eine flüssige Lagerung, die übliche Feder?ersetzt und kombiniert ?trockene“ und ?nasse“ elektrostatische Effekte, inklusive der Erforschung einer Gesamt-Steuerung, die auch die spezifischen Querempfindlichkeiten berücksichtigt. Aus diesem Grund arbeiten hier ein Fachgebiet für Mikrosystemtechnik und für Regelungstechnik zusammen. In der zweiten Phase ist eine Erweiterung der Freiheitsgrade und die Integration weiterer Aktorik-Effekte geplant.

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Projekttr?ger

Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

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Projektzeitraum

2019 -?? ??2022??

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Projektbeschreibung

In Kooperation mit den Universit?ten Bochum und Freiburg, sowie der Jade Hochschule werden im ?DFG-Projekt Kick & Catch multistabile Systeme untersucht, in welchen der ?bergang von Objekten im Mikro-/Millimeterbereich zwischen mehreren Ruhelagen gezielt geregelt werden soll. Neuartig ist hierbei die Realisierung mittels freier Bewegung und die Aktuierung durch kooperative Mikroaktoren. Es werden zwei Systeme unterschiedlicher Bauart betrachtet, die jeweils multiple Ruhelagen in der vertikalen Position oder dem Drehwinkel des Objekts aufweisen. In beiden F?llen wird die freie Bewegung durch einen piezoelektrischen oder elektrostatischen Kick initiiert und elektromagnetisch in der gewünschten Endlage aufgefangen.

Neben der multiphysikalischen Modellierung und Ordnungsreduktion liegt der Fokus des Projekts auf der Erforschung effizienter Algorithmen zur optimalen Trajektorienplanung und nichtlinearen Regelung dieser Systemklasse. Dafür sollen Methoden der Modellpr?diktiven Regelung und Verfahren des maschinellen Lernens zum Einsatz kommen. Darüber hinaus soll der Energieverbrauch über ein Co-Design minimiert werden, indem variable Systemparameter zusammen mit dem internen Regler optimiert werden.

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Projekttr?ger

Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

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Projektzeitraum

2022 - 2024??

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Projektbeschreibung

Die berührungslose Manipulation von Flüssigkeitstropfen und sensiblen Festk?rpern 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 erm?glicht, aber unerwünschte Schwingungen behindern einige Anwendungen, die eine hohe Pr?zision der Bewegung erfordern. Um die Bewegungsgeschwindigkeit zu erh?hen 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 erh?hen.Die Untersuchung gliedert sich in drei Teile. Zun?chst wird ein geeignetes akustisches Levitationssystem entworfen und ein entsprechendes White-Box-Modell erstellt, dessen Parameter mit Hilfe von Systemidentifikationsmethoden experimentell bestimmt werden. Anschlie?end verwenden wir das erstellte Modell, um ein Steuerungssystem zur Manipulation von Festk?rpern und Flüssigkeiten zu entwickeln. Diese Ergebnisse werden für die Entwicklung einer kamerabasierten Echtzeit-Positionsregelung genutzt, um Modellfehler und Prozessst?rungen wie akustische Str?mungen zu behandeln. Die Verbesserungen des geregelten Prozesses werden anhand von Kriterien wie dem absoluten Positionsfehler, der Maximalgeschwindigkeit und der Schwingungsamplitude bewertet. Schlie?lich 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 k?nnen.

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