Michael Schreiner (www.MichaelSchreiner.eu)

Signalverarbeitung im Ferroscan

Aufgabenstellung: Das Gerät Ferroscan der Firma Hilti AG ortet Armierungseisen in Beton. Die Bestimmung der Lage und Grösse des Eisens erfolgt durch Auswertung eines Magnetisierungssignals. Für schwierige Anwendungsfälle muss derzeit auf eine zusätzliche PC Software zurückgegriffen werden, deren Bedienung spezielle Kenntnisse erfordert.

Im Rahmen der Diplomarbeit soll die Software für die Signalverarbeitung zur Bestimmung der Eisenposition verbessert werden. Einerseits soll die Treffsicherheit und die Genauigkeit erhöht werden, andererseits soll die 'intelligentere' Software auch ohne Eingriff eines Benutzers arbeiten. Mit dieser verbesserten Software steigt der Praxiswert des Gerätes Ferroscan, sodass die gute Marktposition ausgebaut und gesichert werden kann.

Diplomanden: Daniel Lutz, Thomas Popp

Betreuung: Prof. Heinz Neufeld, Prof. Dr. Michael Schreiner

Partner: Hilti AG, Schaan, Liechtenstein

2002:

Application Service Providing: Finite Element-Postprozessor in Java

Aufgabenstellung: In jüngerer Zeit wird es für viele Firmen immer schwieriger, sich durch die Eigenschaften der Produkte von den Mitbewerbern abzuheben. Daher werden Service-Leistungen für die Kunden ein immer wichtigeres Marketing-Instrument. Mit Application Service Providing ist gemeint, dass Firmen Berechnungsprogramme und Computer-Leistung ihren Kunden über das Internet zur Verfügung stellen. Die Berechnungsprogramme ermöglichen dem Kunden, für seine Fragestellungen das richtige Produkt des Herstellers auszuwählen. Dadurch, dass die Programme auf Rechnern des Herstellers laufen, kann dieser wertvolle Informationen über die Anforderungen der Kunden gewinnen, und so noch besser auf deren Bedürfnisse eingehen.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Post-Prozessors in Java, um die Ergebnisse von Finite-Element-Berechnungen dreidimensional darzustellen. Gedacht ist dabei in erster Linie an strukturmechanische Berechnungen (Festigkeit, Lebensdauer, etc.). Dem Anwender soll ein interaktives Arbeiten ermöglicht werden, zum Beispiel Drehungen, Zoom, Knoten-Werte per Mausklick. Die Software soll leicht konfigurierbar sein, um sie an verschiedene Bedürfnisse anpassen zu können. Ausserdem ist ein Report-Ausdruck vorzusehen, so dass der Kunde seine Berechnungsergebnisse dokumentieren kann.

Diplomand: David Nyffenegger

Betreuung: Prof. Dr. Michael Schreiner, Prof. Dr. Andreas Zogg

2003:

Animationen in Viper

Aufgabenstellung: Viper ist ein Werkzeug zur Darstellung von Simulationsergebnissen von FE-Programmen. Es ist in Java erstellt und daher plattformunabhängig. Zudem ist keine Installation erforderlich. Die Kombination von einfacher Bedienung, übersichtlicher grafischer Benutzeroberfläche und hoher Leistungsfähigkeit machen Viper zu einem attraktiven Produkt. Die konsequente Einhaltung verschiedener Design-Patterns und die Verwendung von Java3D sind die Gründe für die gute Performance.

Viper wurde letztes Jahr in einer Diplomarbeit entwickelt. Im Rahmen der diesjährigen Diplomarbeit wurde die Funktionalität erweitert, so dass es möglich ist, Snapshots und Animationen zu erstellen. Darüber hinaus wurde die Struktur des Programms verbessert, so dass das Produkt nun releasefähig ist.

Durch Snapshots kann der Benutzer die Konfiguration von besonders aussagekräftigen Ansichten und Darstellungen speichern, um zu einem späteren Zeitpunkt zu diesen zurück zu kehren. Die Snapshots bleiben über mehrere Sitzungen erhalten und können anderen Benutzern weitergegeben werden.

Der wesentliche Bestandteil der Diplomarbeit sind Animationen, die es erlauben bewegte Darstellungen zu erzeugen und zu speichern. Die äusserst flexible Konfiguration erlaubt es, verschiedene Arten von Animationen zu überlagern. Beispielweise kann der Darstellung des sich zeitlich verändernden Temperaturverlaufs eine Verschiebung der Schnittebenen überlagert werden.

Das Design-Pattern Model-View-Controller wurde in allen Teilen des Programms konsequent eingeführt. Dadurch ist die zukünftige Erweiterbarkeit und Flexibilität stark verbessert worden. Das Produkt liegt nun in einer Version vor, die lauffähig ist, und ohne Einschränkungen an Endkunden weitergegeben werden kann.

Diplomanden: Pascal Bossart, Andreas Schneider

Betreuung: Prof. Dr. Michael Schreiner, Prof. Dr. Andreas Zogg
Hearin' the Changes

Aufgabenstellung: Der zeitliche Verlauf von Harmonien in Musikstücken - in diesem Fall des traditionellen Jazz - unterliegt oft bestimmten Gesetzmässigkeiten, die für jedes Musikstück in Form von elementaren Akkordverbindungen (so genannten Akkord-Changes) vorliegen. Wichtige Grundlagen für das Improvisieren sind einerseits das Verstehen der Funktionsharmonik und andererseits die Fähigkeit, solche Akkordverbindungen beim Hören zu erfassen.

Im Buch "Hearin' the Changes" der Autoren Jerry Coker, Bob Knapp und Larry Vincent werden diese notwendigen Grundlagen durch ein interessantes Lernkonzept vermittelt, in dem elementare Akkordverbindungen durch kurze Theorieblöcke erläutert und durch Verweise auf entsprechende Stellen in bekannten Musiktiteln belegt werden. Die Beispiele sind jedoch nur durch Hinweise der Musiktitel mit Taktangaben angegeben und müssen umständlich zusammengestellt werden.

Basierend auf dem Buch wird in dieser Diplomarbeit ein eLearning-Konzept erarbeitet und realisiert, das das Erlernen der Grundlagen durch Verwendung von multimedialen Komponenten unterstützt. Die Multimedia-Eigenschaften werden in diesem Konzept im Gegensatz zu herkömmlichen eLearning-Anwendungen durch das Einbeziehen der visuellen, auralen und assoziativen Wahrnehmungen effizient genutzt. Zur Festigung des Stoffes und zur Überprüfung des Lernerfolges wurde ein interaktives Quiz integriert, das inhaltlich sowohl die theoretischen Grundlagen als auch die Gehörbildung abdeckt.

Im Prototyp sind die Multimedia-Eigenschaften mit einer dynamischen Notendarstellung und den Einsatz von MIDI implementiert. Durch den Einsatz einer Datenbank kann das Programm leicht mit weiteren Lerneinheiten ergänzt werden.

Diplomanden: Rocher Barras, Stefan Schwendener

Betreuung: Prof. Dr. Michael Schreiner, Prof. Dr. Carlo Bach

2004:

Intelligentes Befestigungsgerät

Aufgabenstellung: Isolationsmatten werden grossflächig auf Profilblechen verlegt und mit einem Schraubgerät befestigt. Der Befestigungspunkt muss auf den Erhebungen des Profilblechs liegen. Dazu wird ein geeignetes Messprinzip identifiziert und entwickelt, mit dem der Anwender durch die Isolation den geeigneten Befestigungspunkt finden kann.

Für die beschriebene Anwendung wird ein Funktionsmuster für ein neues Produkt entwickelt. Dazu wird in einem ersten Schritt ein geeignetes Messprinzip identifiziert und aufgebaut. In einem zweiten Schritt werden Algorithmen entwickelt, mit der die Befestigungspunkte durch Isolationsmatten von 100 mm bis maximal 250 mm Dicke erkannt werden. Die Grenzen hinsichtlich der Isolationsdicke sollen aufgezeigt werden. Die Algorithmen müssen robust sein, da die Wandstärken der Isolation variabel sind, und in der Praxis verschiedene Blechprofile vorkommen. Das Verfahren wird am Messaufbau verifiziert. Das Funktionsmuster des intelligenten Befestigungsgerätes soll beweisen, dass das Messprinzip in ein Befestigungsgerät integrierbar ist.

Diplomanden: Marco Koller, Christopher Schneider

Betreuung: Prof. Dr. Michael Schreiner, Prof. Dr. Max Stöck
Partner: Hilti AG, Schaan, Liechtenstein

2005:

Physical Modelling: Klang-Synthese mit Finiten Elementen

Aufgabenstellung:

Die Art und Weise, wie Klänge synthetisch erzeugt werden, ist eng mit der Entwicklung von digitaler Hardware verbunden. Ältere Synthesizer arbeiten mit Oszillatoren und nachgeschalteten Filtern (zunächst analog, dann digital). Später entstanden andere Synthese-Verfahren wie zum Beispiel die FM-Synthese. Heutiger Standard ist die Klangerzeugung durch Sampling. Sampling-Klangfarben sind zwar sehr naturgetreu, aber lassen sich in Echtzeit nur schwer oder gar nicht ändern. Diesen Nachteil überwindet Physical Modelling, wo versucht wird, die Physik eines Instrumentes nachzuahmen. Diese Methode wird mit den heutigen Prozessorleistungen zunehmend interessanter.

In dieser Arbeit soll der Grundstein für einen neuen Synthesizer entwickelt werden, der die Klänge einer Geige nachbildet. Die Erzeugung der Schwingungen erfolgt mit einem nicht-linearen Finite-Elemente-Verfahren, mit dem das System Bogen-Saite simuliert wird. Das Resonanzverhalten des Geigenkörpers wird mit digitalen Filtertechniken nachgeschaltet. Das System soll echtzeitfähig auf einem PC realisiert werden. Die Klänge können durch verschiedene Parameter (Bogengeschwindigkeit, Anpressdruck, Position des Bogens, etc.) verändert werden. Durch Parameter ausserhalb des üblichen Parameterraums lassen sich so auch ganz neue Klänge erzeugen, die über das Klangspektrum einer natürlichen Geige hinausgehen.

Diplomand: Christian Geiger

Betreuung: Prof. Dr. Michael Schreiner, Prof. Dr. Andreas Heinzelmann

Untersuchungen zur Korrelation von Leckrate und thermischer Belastung bei Vakuumventilen mit hartanodisierter Dichtflächen

Aufgabenstellung:

Auf frisch gesägten Aluminium-Oberflächen bildet sich im Kontakt mit dem Sauerstoff der Luft innerhalb kürzester Zeit eine dichte, atomar glatte und gut haftende Aluminiumoxid-Haut. Diese nur wenige Nanometer dünne Oxid-schicht ist mechanisch widerstandsfähiger und chemisch beständiger als der darunterliegende Grundwerkstoff. Eine auch technisch nutzbare Schutzwirkung erfordert allerdings eine künstlich herbeigeführte Verstärkung dieser Schicht auf eine Dicke von typischerweise 30 bis 100 Mikrometer. Hierzu werden die Bauteile in speziellen, stark gekühlten Elektrolyten z.B. einem gepulstem Gleichstrom ausgesetzt, wodurch eine keramikähnliche Oberfläche entsteht – die entstandene „hartanodisierten“ Schicht beseitzt gute elektrische Isolationseigenschaften und eine hohe Härte. Die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Schicht- und Grundwerkstoff führt zu Problemen, wenn das hart-anodisierte Bauteil erwärmt und wieder abgekühlt wird, wie dies beim wiederholten Ausheizen von Vakuumappara-turen die Regel ist. In diesem Fall reisst die Oxidschicht mit jedem Ausheizzyklus ein wenig mehr auf. In der Folge können Probleme mit der Dichtigkeit der Anlage auftreten, die einen Austausch des Bauteils erforderlich machen.

Eine typische Dichtkonfiguration für ein Vakuumventil besteht aus einer hartanodisierten Dichtfläche und einer Elastomer-Dichtung. Untersucht werden soll die Korrelation von Leckrate, struktureller Qualität der Dichtfläche, Temperaturamplitude, Anzahl Temperaturzyklen, Elastomertyp und einigen schicht- und herstellungsspezifischen Parametern (Dicke, innere Spannungen, Zusammensetzung, Elektrolyt-Zusammensetzung, Strom, ...). Eine praktische und theoretische Einweisung in die werkstoffkundliche Problematik der Vakuumdichtungen schliesst eine zielgerichtete Literatursuche zum Stand der Technik ein. Daran anschliessend ist im Gespräch mit dem Industriepartner zu überlegen, welche der möglichen Parameter in die Untersuchung einbezogen werden sollen, bevor schliesslich ein Versuchsplan (DoE) aufgestellt wird. Die Messung der Leckrate als Funktion der verschiedenen Parameter und die entsprechende Auswertung wird wichtige Hinweise zur Bedeutung der möglichen Fehlerquellen geben. Parallel dazu sind u.a. mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie einige werkstoffanalytische Fragestellungen zu bearbeiten, um den mikroskopischen Aufbau, bestimmte Eigenschaften und vor allem strukturelle Fehler der Beschichtung kennenzulernen. In der Zusammensicht schliesslich werden (hoffentlich) Aussagen möglich, die dazu beitragen, die Entstehung von Rissen in Zukunft zu begrenzen oder vielleicht sogar zu vermeiden.

Diplomanden: Markus Ebster,Marcel Larger

Betreuung: Prof. Dr. Nikolaus Herres, Prof. Dr. Michael Schreiner
Partner: VAT Vakuumventile AG, Haag (SG), Schweiz

Heiztisch fuer Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie für Temperaturen bis 800°C und variablem Temperaturgradienten
Aufgabenstellung:

Auf frisch gesägten Aluminium-Oberflächen bildet sich im Kontakt mit dem Sauerstoff der Luft innerhalb kürzester Zeit eine dichte, atomar glatte und gut haftende
Jedes neuartige Material oder Materialsystem muss auch hinsichtlich der thermischen Stabilität seiner Phasen erkundet werden. Die Untersuchung von Phasenumwandlungen gehört deshalb zu den wichtigsten werkstoffkundlichen Disziplinen. Für die mikroskopische Betrachtung der Vorgänge bei Phasenumwandlungen eignen sich Licht- und Rasterelektronen-Mikroskopie besonders gut, da Phasenumwandlungen häufig mit Änderungen der Struktur und des Gefüges an der Werkstoffoberfläche verknüpft sind. Phasenumwandlungen können thermisch, elektrisch, chemisch oder magnetisch herbeigeführt werden. Für die Beobachtung thermisch induzierter Umwandlungen ist neben der zeitlichen Stabilität der Temperatur, vor allem die räumliche Stabilität des Temperaturgradienten in der Probenkammer wesentlich.

Die gewünschte Entwicklung zielt auf einen modular aufgebauten Heiztisch, der sowohl am Lichtmikroskop als auch in einem Rasterelektronenmikroskop eingesetzt werden soll. Als höchste Betriebstemperatur ist 800°C (im Vakuum) anzustreben. Auf einem keramischen Trägermaterial soll als Heizung eine neuartige Kombination aus pyrolytischem Bornitrid und Graphit verwendet werden. Temperaturen und Temperaturgradienten sind PC gestützt einzustellen und zu regeln. Der (variable) Temperaturgradient ist um die Mikroskopachse drehbar anzuordnen.

Die Arbeit beinhaltet nach der Erarbeitung eines Anforderungsprofils eine modellierende Untersuchung der Wärmeströme zur Optimierung der Heizung. Hierzu gehören auch Überlegungen zur Auswahl geeigneter Werkstoffe und Hilfswerkstoffe. Im Anschluss daran soll der Heiztisch konstruiert, gebaut und im Einsatz an Lichtmikroskop und Rasterelektronenmikroskop getestet werden.

Diplomand: Claudius Oblasser

Betreuung: Prof. Dr. Nikolaus Herres, Prof. Dr. Michael Schreiner