40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS
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Nachfolgend ist ein modularer Multilevel-Umrichter mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen beschrieben, bei dem eine erste Gruppe von Modulen hintereinander zu einem geschlossenen Ring verschaltet sind und mindestens zwei Abgriffe jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen des Rings angeordnet sind. An mindestens zwei Abgriffen ist je eine zweite weitere Gruppe von Modulen als von der Ringanordnung abzweigendes und einen Sternstrang bildendes Phasenmodul vorgesehen ist. Diese letztgenannten Gruppen von Modulen bilden an den Enden jeweils Anschlüsse oder Abgriffe. Die Module erlauben durch Schaltelemente ein Verschalten von Energiespeichern benachbarter Einzelmodule, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen eine Spannungsdifferenz bereitstellbar ist, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes regelbar ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Polyphasensystem und ein Verfahren zum effizienten Leistungsaustausch zwischen Modulen.
Die vorliegende Dissertation thematisiert die Weiterentwicklung der Zwei-Photonen Laserlithographie zur Realisierung hochaufgelöster Maßverkörperungen für die Kalibrierung optisch-flächenhafter Topographie-Messgeräte nach DIN EN ISO 25178.
Die additive Fertigung als generelle Bezeichnung für ein schicht- oder punktweise auftragendes Fertigungsverfahren prosperiert und wird in Zukunft laut der von der Bundesregierung eingerichteten Expertenkommission für Forschung und Innovation (EFI) eine wichtige Rolle als Schlüsseltechnologie einnehmen. Anstatt Bauteile z.B. aus einem soliden Block geometrielimitiert herauszufräsen, baut die additive Fertigung das entsprechende Werkstück aus Metallen, Kunst- oder Verbundwerkstoffen sukzessive auf und ist dabei von der Geometrie meist unabhängig. Dadurch ist die Technologie z.B. für das rapid prototyping interessant und erlaubt einen strukturgetriebenen Herstellungsprozess: "Die Bauteile der Zukunft werden nicht designt sondern berechnet!" (Dr. Karsten Heuser, VP Additive Manufacturing, Siemens AG bei 3D Printing and Industry 4.0: An Industry Perspective, Photonics West 2018, San Francisco, 31.01.2018 (frei übersetzt)).
Speziell auf der Mikro- und Nanoskala erfreut sich die additive Fertigung einer wachsenden Bedeutung. Angefangen bei den zunächst fundamentalen Fragestellungen auf den Gebieten der photonischen Kristalle, biologischen Zelltemplaten oder Metamaterialen erhält so z.B. die Zwei-Photonen Laserlithographie, auch direct laser writing (DLW) genannt, einen immer stärkeren Einzug in die Industrie. Beim DLW werden Bereiche photosensitiver Materialien, z.B. Photolacke, mithilfe eines fokussierten Laserstrahls gezielt ausgehärtet, sodass über präzise Relativbewegungen von Lack und Fokus nahezu beliebige 3D Strukturen mit Details auf der Gröÿenordnung des Laserfokus generiert werden können. Dabei spielt die namensgebende, nichtlineare Zwei-Photonen Absorption (2PA) eine entscheidende Rolle: Nur bei einer nahezu simultanen Absorption von zwei Photonen ist die eingebrachte Energie ausreichend hoch, um die gewünschte Aushärtung des Materials zu initiieren. Der entsprechende
Zwei-Photonen Absorptionsquerschnitt skaliert mit dem Quadrat der Lichtintensität und dem Imaginärteil der elektrischen Suszeptibilität dritter Ordnung chi(3), sodass beim DLW auch von einem chi(3)-Prozess gesprochen wird. Die zur Aushärtung notwendige Photonenendichte ist somit ausschlieÿlich im Fokus des verwendeten Objektivs hoch genug und erlaubt dadurch die Fertigung von Strukturdetails im Bereich von 100 nm.
Eine aktuelle Anwendung findet das DLW in der Metrologie. Hier werden beispielsweise für die Kalibrierung optischer Messgeräte sogenannte Kalibrierkörper benötigt, welche als Referenzstrukturen dienen. Mit dem Wissen der entsprechenden Referenzkennwerte lassen sich die jeweiligen Messgeräteabweichungen bestimmen gegebenenfalls bei der Datenauswertung korrigieren. Dadurch werden die Ergebnisse für Forschung und Industrie verlässlicher,
reproduzierbarer und vergleichbarer. Das DLW erlaubt aufgrund seiner hohen Flexibilität und Designfreiheit erstmals, sämtliche Kalibrierkörper für eine ganzheitliche Messgerätekalibrierung kombiniert auf einem einzelnen Trägersubstrat herzustellen. Um das Alterungs- und Skalierungsverhalten sowie die jeweiligen Kalibriereigenschaften der additiv gefertigten Strukturen für einen nachhaltigen technologischen Einsatz attraktiv zu halten, ist ein tiefergehendes Verständnis des entsprechenden Materialsystems unabdingbar. Unter bestimmten
Bedingungen zeigt sich, dass die zeitabhängigen Veränderungen der Strukturen nach der thermisch beschleunigten Alterung nach Arrhenius auf den industriell relevanten Zeitskalen von einigen Jahren vernachlässigt werden kann. Auch die für die Kalibrierung unterschiedlicher Objektivvergröÿerungen notwendige Skalierung dieser Kalibrierkörper liefert nach entsprechender Herstellungsoptimierung verlässliche Daten: Sowohl filigrane Strukturen im Bereich einiger weniger Mikrometer und darunter zur Auflösungskalibrierung stark
vergrößernder Optiken, als auch großflächige Strukturen von nahezu 1mm² für niedrigere Vergrößerungen bei ähnlicher Auflösung erweisen sich als realisierbar.
Um die für eine Auflösungskalibrierung ausreichend hohe Qualität der gefertigten Kalibrierkörper auch in Zukunft zu gewährleisten, muss die Technologie des DLWs stetig weiterentwickelt werden. Die gezielte Aberrationskorrektur des strukturierenden Laserfokus stellt in diesem Kontext zwar eine vielversprechende Option dar, die etablierte iterative Phasenfrontmodifikation mittels Zernike-Polynome erweist sich allerdings als aufwendig und subjektiv. Im Hinblick auf Reproduzierbarkeit und Präzision soll daher zunächst ein passender Algorithmus Abhilfe schaffen. Das Grundprinzip beruht dabei auf dem sogenannten Gerchberg-Saxton Algorithmus, bei dem die Amplitudeninformation sowohl in der Fokus-, als auch in der Pupillenebene iterativ variiert wird. Dadurch werden die Aberrationen
über die Phasenverteilung repräsentiert, welche im Anschluss zur Korrektur der Aberrationen verwendet werden kann. Diese Herangehensweise konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals auf Systeme hoher numerischer Apertur sowie auf nahezu beliebige fokale Intensitätsverteilungen erweitert werden. Die technologische Grundlage hierfür liefert ein
räumlicher Lichtmodulator (spatial light modulator, SLM), der die Feldverteilung in der Pupillenebene mittels doppelbrechender Flüssigkristalle einstellt. Durch einen geschickten Aufbau können somit Phase und Amplitude des Laserstrahls über computergenerierte digitale Hologramme gezielt und ohne mechanische Einwirkung verändert werden. Die somit automatisierte Aberrationskorrektur verbessert in der Folge die Strukturierungseigenschaften der Fertigungstechnologie und damit die Qualität der resultierenden Kalibrierkörper.
Eine weitere Verbesserung erfolgt in Analogie zum Nobelpreis gekürten Prinzip der STED Mikroskopie, bei der durch stimulierte Emission das effektive Anregungsvolumen verkleinert und damit die laterale Distanz zwischen zwei gerade noch aufgelösten Strukturen von einigen wenigen hundert Nanometern auf ca. fünf Nanometer verbessert wurde. In der Lithographie erfolgt die stimulierte Emission durch einen zweiten Laser via Ein-Photonen Absorption (1PA ~chi(1)), ist jedoch aufgrund komplexer photochemischer und quantenmechanischer Prozesse in den Photolacken nicht unmittelbar aus der Mikroskopie übertragbar. Die grundlegende Machbarkeit wurde bereits von anderen Forschungsgruppen verifiziert, jedoch stets mit der Limitierung auf sehr geringe Strukturierungsgeschwindigkeiten im Bereich von ungefähr 100 µm/s. Damit würden die zuvor erwähnten großflächigen Kalibrierstrukturen bei unveränderten Parametern eine Fabrikationszeit von über einem Monat beanspruchen, weswegen das Verfahren im Rahmen dieser Arbeit auf das ca. 200 mal schnellere Strukturieren mittels Galvanometerspiegel erweitert wird. Dies wird zwar durch wellenlängenabhängige Eigenschaften des Systems, wie z.B. chromatische Aberrationen erschwert, dennoch ergeben sich nachweislich einige Fortschritte: Unerwünschte Abweichungen von der Sollstruktur durch die experimentell stets vorhandene Vignettierung können deutlich reduziert werden. Außerdem kann der Parameterbereich zur Erzeugung konstant hoher Strukturqualität deutlich vergrößert werden.
In Kombination mit den SLMs können somit, je nach Anforderungen der Zielstrukturen, die jeweils passenden fokalen Intensitätsverteilungen für den An- und Abregungsstrahlengang automatisiert generiert und optimiert werden. Zudem wurde durch die in dieser Arbeit erbrachten konzeptionellen Fortschritte der STED inspirierten Zwei-Photonen Laserlithographie die Grundlage für eine industrielle Anwendung der erzeugten Kalibrierstrukturen
in der Metrologie gelegt.
Magnetoelastic coupling describes the mutual dependence of the elastic and magnetic fields and can be observed in certain types of materials, among which are the so-called "magnetostrictive materials". They belong to the large class of "smart materials", which change their shape, dimensions or material properties under the influence of an external field. The mechanical strain or deformation a material experiences due to an externally applied magnetic field is referred to as magnetostriction; the reciprocal effect, i.e. the change of the magnetization of a body subjected to mechanical stress is called inverse magnetostriction. The coupling of mechanical and electromagnetic fields is particularly observed in "giant magnetostrictive materials", alloys of ferromagnetic materials that can exhibit several thousand times greater magnitudes of magnetostriction (measured as the ratio of the change in length of the material to its original length) than the common magnetostrictive materials. These materials have wide applications areas: They are used as variable-stiffness devices, as sensors and actuators in mechanical systems or as artificial muscles. Possible application fields also include robotics, vibration control, hydraulics and sonar systems.
Although the computational treatment of coupled problems has seen great advances over the last decade, the underlying problem structure is often not fully understood nor taken into account when using black box simulation codes. A thorough analysis of the properties of coupled systems is thus an important task.
The thesis focuses on the mathematical modeling and analysis of the coupling effects in magnetostrictive materials. Under the assumption of linear and reversible material behavior with no magnetic hysteresis effects, a coupled magnetoelastic problem is set up using two different approaches: the magnetic scalar potential and vector potential formulations. On the basis of a minimum energy principle, a system of partial differential equations is derived and analyzed for both approaches. While the scalar potential model involves only stationary elastic and magnetic fields, the model using the magnetic vector potential accounts for different settings such as the eddy current approximation or the full Maxwell system in the frequency domain.
The distinctive feature of this work is the analysis of the obtained coupled magnetoelastic problems with regard to their structure, strong and weak formulations, the corresponding function spaces and the existence and uniqueness of the solutions. We show that the model based on the magnetic scalar potential constitutes a coupled saddle point problem with a penalty term. The main focus in proving the unique solvability of this problem lies on the verification of an inf-sup condition in the continuous and discrete cases. Furthermore, we discuss the impact of the reformulation of the coupled constitutive equations on the structure of the coupled problem and show that in contrast to the scalar potential approach, the vector potential formulation yields a symmetric system of PDEs. The dependence of the problem structure on the chosen formulation of the constitutive equations arises from the distinction of the energy and coenergy terms in the Lagrangian of the system. While certain combinations of the elastic and magnetic variables lead to a coupled magnetoelastic energy function yielding a symmetric problem, the use of their dual variables results in a coupled coenergy function for which a mixed problem is obtained.
The presented models are supplemented with numerical simulations carried out with MATLAB for different examples including a 1D Euler-Bernoulli beam under magnetic influence and a 2D magnetostrictive plate in the state of plane stress. The simulations are based on material data of Terfenol-D, a giant magnetostrictive materials used in many industrial applications.