Studien- und Abschlussarbeiten

Hauptbetreuer: Prof. Dr. Arif Kazi


Von allen derzeit bekannten Aktor-Materialien haben Formgedächtnis-Legierungen (engl. Shape Memory Alloys, SMA) die höchste Energiedichte. Da diese Legierungen mit der Form­änderung auch ihren elektrischen Widerstand ändern, können Formgedächtnis-Elemente nicht nur als Aktoren, sondern gleichzeitig auch als Sensoren eingesetzt werden. Mit ihrer einfachen Bauform eigenen sich Formgedächtnis-Elemente hervorragend für die Miniatu­risierung.

Die Fa. Actuator Solutions in Gunzenhausen hat sich auf die Entwicklung innovativer Aktoren auf der Basis von Formgedächtnis-Legierungen spezialisiert. Das Unternehmen produziert mehrere Millionen Aktoren pro Jahr, vorwiegend für die Automobilindustrie. Aktuell wird eine Bildstabilisierung für Smartphone-Kameras entwickelt, für die das Unternehmen auch den Innovationspreis 2014 in der Kategorie Mittelstand erhalten hat (siehe http://www.wiwo.de/technologie/forschung/innovationspreis-sieger-kategorie-mittelstand-actuator-solutions-muskeln-aus-drahtseilen-/9716644.html).

Weitere innovative Ideen und Konzepte warten darauf, im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten in die Realität umgesetzt zu werden!

Hauptbetreuer: Prof. Dr. Arif Kazi

Bearbeitungszeit ab 02.10.2017 bis 28.02.2018


Von allen derzeit bekannten Aktor-Materialien haben Formgedächtnis-Legierungen (engl. Shape Memory Alloys, SMA) die höchste Energiedichte. Da diese Legierungen mit der Form­änderung auch ihren elektrischen Widerstand ändern, können SMA-Drähte nicht nur als Aktoren, sondern gleichzeitig auch als Sensoren eingesetzt werden.

Eine wesentliche Herausforderung beim Einsatz von SMA-Aktoren liegt allerdings in der Charakterisierung und Modellierung des komplexen Materialverhaltens. In vorangehenden Studienarbeiten wurde ein spezieller Teststand konzipiert, konstruiert und mechanisch aufgebaut, mit dem SMA-Aktoren in einem Ölbad eine gewünschte Temperatur aufgeprägt werden kann. Bei der Zieltemperatur können dann die relevanten Kraft-Weg-Kennlinien des Materials aufgenommen werden. Die Steuerung der Messabläufe und die Temperaturregelung im Teststand erfolgt über ein vorhandenes dSPACE Rapid Control Prototyping System.

In dem ausgeschriebenen Projekt soll nun die Steuerung und Regelung des Teststands realisiert werden. Das Projekt umfasst folgende Schritte:

    Optimierung des Temperaturregelkreises für das Ölbad

    Definition und steuerungstechnische Implementierung der Messabläufe

    Durchführung von Probemessungen an einem SMA-Drahtaktor

    Anbindung einer Verstelleinheit und Kraftsensorik (vorhanden)

    Realisierung einer Positionsregelung (und ggf. Kraftregelung)

    Durchführung von weiteren Probemessungen an einem SMA-Drahtaktor

Das Projekt ist für Gruppen von 2-3 Studierenden (F, MEKA, G) oder aber auch als Bachelorarbeit für eine Person geeignet.

Hauptbetreuer: Prof. Dr. Arif Kazi

Bearbeitungszeit ab 02.10.2017 bis 28.02.2018


Im Labor zur Vorlesung „Aktorik“ sollen die Studierenden in Zukunft die Betriebskennlinien von Gleichstrommotoren vermessen und die Motorparameter identifizieren. Die Gleichstrommotoren werden hierzu bei verschiedenen Spannungen und Lastmomenten betrieben, die Drehzahlen und Motorströme werden erfasst.

Im Rahmen von vorangehenden Studienarbeiten einen Prüfstand für elektrische Kleinmotoren realisiert. Er umfasst einen Wechseladapter für Motoren, eine Hysteresebremse, einen Halleffekt-Drehzahlsensor mit Anzeige und einen eigenentwickelten DMS-Drehmoment-Messflansch. Bei ersten Probemessungen konnte die prinzipielle Funktionstauglichkeit des Prüfstands nachgewiesen werden. Allerdings wurde auch deutlich, dass speziell die Drehmomentmessung noch nicht robust gegenüber Umgebungseinflüssen (z.B. Temperatur des Raums bzw. des Versuchsaufbaus) ist.

In der ausgeschriebenen mechatronischen Projektarbeit soll die Messfähigkeit des vorhandenen Prüfstands gezielt untersucht und verbessert werden. In diesem Zusammenhang sind folgende Arbeitsschritte erforderlich:

    Kalibration des existierenden Drehmoment-Messflanschs und Durchführung von Probemessungen

    Systematische Analyse der Auswirkung von Störeinflüssen auf die Messdaten (speziell Temperatur)

    Systematische Definition und Bewertung von Abhilfemaßnahmen

    Auswahl und Umsetzung der Abhilfemaßnahme(n)

    Quantitative Beurteilung der erreichten Verbesserung im Rahmen von erneuten Probemessungen

Hauptbetreuer: Prof. Dr. Arif Kazi


Shape memory alloys (SMA) are metallic Ni-Ti alloys that are easily deformed at low temperatures, but will recover a predetermined shape when heated. The shape memory effect is due to a crystallographic reversible phase transformation between a low-temperature martensitic and a high-temperature austenitic phase of the alloy. SMA wire actuators are attractive for a wide range of mechatronic applications because of their high energy density, light weight, noise-less operation and ease of miniaturization. SMA wires also change their electrical resistance with their shape, so they can act as actuators and sensors at the same time.

Promising new application fields for SMA actuators are underwater robotics and subsea devices. Conventional electromagnetic motors require encapsulation when used under water, which significantly increases both complexity and costs. For SMA actuators, working under water is even beneficial, as cooling rates are increased and the dynamic response is improved. Shape memory alloys from Ni-Ti are also highly corrosion resistant and will not degrade when operating in salt water. One potential drawback, however, is the energy consumption due to the heating power lost to the surrounding water.

The goal of this bachelor thesis is to identify possible trade-offs between the dynamic behavior and the required heating power of SMA actuators working under water. The heat transfer from the SMA wire to the surrounding water shall be tailored by coatings of appropriate material and thickness. The coating, however, needs to be compliant so that the contraction of the SMA is not impaired. The bachelor thesis will comprise the following steps:

  • Literature review of publications dealing with SMA actuators under water
  • Analysis of applicable coating materials and related manufacturing techniques
  • Development of an analytical model predicting the heat transfer of coated SMA wires working under water
  • Realization of an experimental setup for operation of an SMA wire under water.
  • Comparison of experimental results to model prediction

For more information, please contact

    Prof. Dr.-Ing. Arif Kazi

    Faculty of Optics and Mechatronics

    Aalen University of Applied Sciences

    Phone: +49-7361-576-3341

    Email:  Arif.Kazi@hs-aalen.de

Hauptbetreuer: Prof. Dr. Arif Kazi

Bearbeitungszeit ab 02.10.2017 bis 27.02.2018


Von allen derzeit bekannten „intelligenten“ Materialien haben Formgedächtnis-Legierungen (engl. Shape Memory Alloys, SMA) die höchste Energiedichte. Da diese Legierungen mit der Form­änderung auch ihren elektrischen Widerstand ändern, können Formgedächtnis-Elemente nicht nur als Aktoren, sondern gleichzeitig auch als Sensoren eingesetzt werden. Mit ihrer einfachen Bauform eigenen sich Formgedächtnis-Elemente hervorragend für die Miniatu­risierung.

In diesem Projekt soll ein miniaturisierter SMA-Aktuator aufgebaut werden, bei dem zwei verspannte SMA-Drähte gegeneinander arbeiten („antagonistische“ Anordnung). Der Aktuator soll eine Stellkraft von ±15 N bei einem Stellweg von 1 mm realisieren. Der verfügbare Bauraum beträgt 15 x 17 x 6 mm.

Vorgehensweise:

    • Überschlägige Auslegung (Kinematik, SMA-Drahtdurchmesser, Länge) mit Hilfe eines Excel-Sheets
    • CAD-Design (Fertigung mittels 3D-Druck)
    • Aufbau und Inbetriebnahme
    • Charakterisierung des Aktuators (erreichte Kraft und Stellweg)

    Hauptbetreuer: Prof. Dr. Arif Kazi

    Bearbeitungszeit ab 02.10.2017 bis 27.02.2018


    Von allen derzeit bekannten „intelligenten“ Materialien haben Formgedächtnis-Legierungen (engl. Shape Memory Alloys, SMA) die höchste Energiedichte. Da diese Legierungen mit der Form­änderung auch ihren elektrischen Widerstand ändern, können Formgedächtnis-Elemente nicht nur als Aktoren, sondern gleichzeitig auch als Sensoren eingesetzt werden. Aufgrund ihrer einfachen Bauform finden SMA-Aktuatoren mittlerweile in vielen Industriebereichen (Automobil, Medizintechnik, Haushaltsgeräte, Smartphones, …) Anwendung.

    In diesem Projekt soll eine analoge Ansteuerungselektronik realisiert werden, die die Schnittstelle zwischen einem Rapid Control Prototyping System (dSPACE) und dem eigentlichen SMA-Draht darstellt. Der SMA-Draht soll über PWM mit einer vorgegebenen Leistung erhitzt werden, dabei sind elektrische Spannung, Strom und Widerstand am Draht zu ermitteln. Die Ansteuerungselektronik soll flexibel für verschiedene SMA-Drahtdurchmesser und -längen einsetzbar sein. Die bereitzustellende elektrische Leistung und der elektrische Widerstand des SMA-Drahts verändern sich demzufolge um mehr als eine Größenordnung.

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