Mikropfeifen als Signalgeber im Ultraschallbereich

Beckmann, Felix; Schmitz, Katharina; Schomburg, Werner Karl

doi:10.18154/RWTH-2020-07274

Mikropfeifen als Signalgeber im Ultraschallbereich = Micro whistles for signal generation in the range of ultrasound

Beckmann, Felix^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Felix Beckmann

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (x, 104 Seiten, Seite CV-CXXI) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schomburg, Werner Karl (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmitz, Katharina (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-05-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07274
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/793926/files/793926.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (417420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mikropfeifen (frei) ; Sensoren (frei) ; Ultraschall (frei) ; Ultraschallfertigung (frei) ; Ultraschallheißprägen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Mikropfeifen emittieren bei mechanischer Betätigung eines Balgs ein frequenzkodiertes akustisches Signal im Ultraschallbereich, das Menschen nicht wahrnehmen und das sich, vor allem auf kurze Distanzen, zur Übertragung von Schaltsignalen eignet. Mikropfeifen benötigen weder elektronische Bauteile noch Batterien. Die Ultraschallsignale werden mit Mikrofonen aufgenommen. In vorangegangenen Arbeiten wurden Mikropfeifen aus thermoplastischen Polymeren entwickelt und ihre möglichen Einsatzmöglichkeiten für Fernbedienungen aufgezeigt. Allerdings war die Herstellung der Mikropfeifen langwierig, da 15 verschiedene Prägewerkzeuge verwendet werden mussten um voneinander unterscheidbare Signale durch Frequenzkombinationen herstellen zu können. Zudem waren die Bälge und ihre Befestigung an den Mikropfeifen nicht stabil genug, um ihre Funktion über einen längeren Zeitraum sicherzustellen. Daher war ein zuverlässiger Einsatz als Signalgeber noch nicht gegeben. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden diese Probleme aufgegriffen und, auch im Hinblick auf eine Massenfertigung und einen späteren Einsatz als Teillösung in Altersgerechten Assistenzsystemen (AAL-Systemen), behoben. Es wurde eine Multipfeife entwickelt, die sechs Mikropfeifen mit unterschiedlichen Frequenzen auf einem Polycarbonatplättchen zur Verfügung stellt und die Multipfeifenmittels Ultraschallfertigung hergestellt. Durch das Verschließen von vier der sechs Einzelpfeifen können alle 15 Frequenzkombinationen manuell eingestellt werden. Die Auslösung der Mikropfeifen geschieht durch einen aus 2-Komponenten-Silikon gefertigten Balg. Das Design des Balgs wurde so gewählt, dass die aufzubringende Kraft 7,5 N beträgt. Für die Befestigung des Balgs auf der Multipfeife wurde ein Klemmring aus PC entwickelt, der gefräst oder mittels 3D-Druck gefertigt und mittels Ultraschall aufgeschweißt wurde. Der Balg wurde anschließend in eine Nutzwischen Klemmring und Multipfeife eingesetzt. Mehrere verschiedene Bälge wurden auf einem pneumatischen Versuchsstand einem Dauertest unterzogen und ihre Betätigungen bis zum Versagen erfasst. Der für die Multipfeifen verwendete Balg versagte erst nach 5.200.000 Lastwechseln. Damit für weitere Versuche eine Vielzahl an Multipfeifen zur Verfügung gestellt werden konnte, wurde eine automatisierte Anlage für das Ultraschallheißprägen von Polymerchips entwickelt. Die Anlage ist modular aufgebaut und an der Ultraschallschweißmaschinemontiert. Durch das Verfahren von Pneumatikzylindern wurde ein Doppelchip mit den Maßen 121 × 50 × 1 mm³ aus einem Magazin auf die Folie über das Prägewerkzeug geschoben und dort durch einen Klemmrahmen fixiert. Nachdem Prägeprozess wurde das geprägte Plättchen von dem Werkzeug abgehoben, durch die Folienbahn einer Folien-Aufwickel-Einheit ausgeworfen und aufgewickelt. Mit dem vollautomatischen Betrieb des Prägeprozesses werden innerhalb von 10Minuten 70 Multipfeifen auf einem etwa 2,5 m langen Folienabschnitt gefertigt. Um den Einsatz von Multipfeifen als mögliche Teillösung in AAL-Systemen zu bestätigen, wurde ein mit Multipfeifen betriebener Schalter entwickelt. Der Schalter besitzt eine durch Magnetkraft hervorgerufene Kraftschwelle von 11,9 N. Diese muss bei der Betätigung überwunden werden, damit der Schalter abrupt auslöst und dabei die Multipfeife mit einem reproduzierbaren Signal betätigt. In jeweils 50 Messungen von sechs verschiedenen Pfeifenkombinationen wurden vier der Sollfrequenzpaare zu100 % erfasst. Lediglich bei zwei Pfeifenkombinationen betrug die niedrigste Detektionsrate98 %.

Micro whistles emit a frequency-coded acoustic signal in the range of ultrasound when mechanically actuated by a bellows, which is outside of the audible range and suitable for the transmission of switching signals, especially for short distances. Micro whistles require neither electronic components nor batteries. The ultrasonic signals are received by microphones. In previous works, micro whistles from thermoplastic polymers have been developed and their application for remote controls has been demonstrated. However, the production of the micro whistles was tedious, because 15 different embossing tools had to be used to produce distinguishable signals by frequency combinations. In addition, the bellows and their attachment to the micro whistles were not firm enough to ensure a working device for a long period of time. Therefore, a reliable use as a signal transmitter was not achieved. Within the scope of the present work, these problems were addressed and resolved with regard to mass production and later use as a partial solution in Ambient Assisted Living systems (AAL).A multi-whistle combining micro whistles with six different frequencies on a polycarbonate chip was developed and manufactured by ultrasonic manufacturing. By closing four of the six single whistles, 15 frequency combinations are set manually. The micro whistles are actuated by bellows made of 2-component silicone. The design of the bellow was selected such that the applied force is 7.5 N. To fix the bellows on the pipes, a clamping ring was developed and milled from PC or manufactured by 3Dprinting.This clamping ring was welded onto the chip by ultrasound. The bellow was then inserted into the groove between clamping ring and multi-whistle. Several different bellows were subjected to an endurance test on a pneumatic test stand and their operations until failure were recorded. The bellow used for the multi-whistle failed after 5,200,000 load cycles. To fabricate a large number of multi-whistles for further experiments, an automated system for ultrasonic hot embossing of polymer chips was developed. The system has a modular structure and was mounted onto the ultrasonic welding machine. By the drive of pneumatic cylinders, two joined chips with the dimension121 × 50 × 1 mm³ were pushed from a magazine onto a polymer foil above an embossing tool and fixed there by a clamping frame. After the embossing process, the embossed chip was lifted off the tool, ejected together with the foil by a foil-winding unit and wound up. With the fully automatic operation of the embossing process, 70multi-whistles were produced on a 2.5 m long foil section in 10 minutes. To verify the use of multi-whistles as a possible partial solution in AAL-systems, a multi-whistle operated switch has been developed. The switch has a force threshold of 11.9 N caused by magnetic force. This force must be overcome during actuation and, that way, the switch is actuating the multi-whistle with a reproducible pressure difference generating a reproducible signal. In 50 measurements of six different whistle combinations, four of the nominal frequency pairs were recorded by 100 %. Only two combinations of whistles showed a lowest detection rate of 98 %.

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