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Forschung und Lehre - Diplomarbeiten am NTB
2000
- 2001 - 2002 - 2003
- 2004 - 2005
2000:
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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:
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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:
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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
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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:
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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:
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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
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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
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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
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