Sportwagen mit Elektroantrieb

Vier Absolventen zeigten mit ihrer Bachelor-Abschlussarbeit eine sehr sportliche Ingenieurleistung. In nur neun Monaten rüsteten sie in Kooperation mit der Firma Brusa Elektronik AG aus Sennwald einen Sportwagen auf reinen Elektroantrieb um. Dabei setzten sie beim Antrieb und beim Akku neue Massstäbe.

Der elektrisch angetriebene Sportwagen ist bezüglich Energieeffizienz den benzingetriebenen Fahrzeugen deutlich überlegen. Für eine Strecke von 100 km werden nur 15 kWh benötigt. Dies kostet bei 20 Rp/kWh lediglich drei Franken. Diese Energiemenge entspricht 1,5 Liter Benzin. Dieses elektrogetriebene Fahrzeug beschleunigt in weniger als 5 Sekunden auf 100 km/h.

Bei der Umrüstung des Sportwagens, eines Spyders, waren zwei besondere Herausforderungen zu bewältigen. Der Akku sollte eine Lebensdauer von mindestens 200'000 km aufweisen. Zudem sollten zwei leise Elektromotoren mit einem besonders leisen und leichten Getriebe jeweils ein Hinterrad antreiben.

Nach erfolgreich beendetem Projekt im Rahmen der Abschlussarbeit und weiteren Optimierungen der Firma Brusa wird das Fahrzeug anfangs 2009 zum Strassenverkehr zugelassen.

Universal Greifsystem

Das Fingerspitzengefühl einer menschlichen Hand ist einzigartig. Unsere Hände vermögen feinste Arbeiten, wie beispielsweise die Montage einer Uhr, ebenso auszuführen, wie grobe Tätigkeiten mit schweren Werkzeugen, beispielsweise einem Vorschlaghammer. Diese Breite an Möglichkeiten und das erreichte Feingefühl durch die zahlreichen Sinneszellen unterscheidet die menschliche Hand wesentlich von heutigen Greifern in der Technik.

Diese sind meist kraft- oder weggesteuert. Man benötigt daher spezifische Angaben zu Form, Gewicht oder Oberflächenbeschaffenheit eines Objektes, um es sicher greifen zu können. Auf Unterschiede zwischen den Objekten oder äusseren Einflüssen vermögen herkömmliche Greifer nicht zu reagieren. Gerade bei zerbrechlichen, biegsamen oder ungenauen Teilen ist man daher bis heute auf eine Vielzahl unterschiedlicher Spezialgreifer angewiesen, was hohe Investitionskosten zur Folge hat.

Der Industriepartner, die Firma Stepan Engineering - Sargans kam mit einer Idee an die NTB. Mit Hilfe eines Roboters mit Greifsystem soll eine PET-Trinkflasche geöffnet werden, ohne dabei den Inhalt der Flache zu verschütten. Zu Beginn ist die Flasche prall gefüllt. Durch das Öffnen des Verschlusses wird ein Drehmoment aufgebracht. Damit die Flasche nicht durchrutscht muss die Greifkraft erhöht werden. Beim Öffnen entweicht die Kohlensäure und der Widerstand der Flasche nimmt schlagartig ab. Das System muss auf das Entgleiten der Flasche reagieren, indem die Greiffinger zusammenfahren. Dabei wird die Flasche deformiert. Diese Verformung darf aber nur so gross sein, dass die Flasche sicher gehalten werden kann, ohne den Inhalt zu verschütten.

Für herkömmliche Greifer eine nahezu unlösbare Aufgabe, da diese Greifer für das Halten eines Gegenstandes Angaben über Form, Gewicht, Festigkeit benötigen, um daraus die Schliesskraft zu ermitteln. Ein System, welches in der Lage ist, die minimal nötige Schliesskraft automatisch zu detektieren, kann den Einsatz von Greifern deutlich vereinfachen.  In einer Diplomarbeit wurde ein solches Greifsystem entwickelt und realisiert. Im Zentrum stand dabei die Frage, ob sich die Erfassung der relativen Verschiebung zwischen zwei Objekten (Schlupf) für die Regelung der Greifkraft nutzen lässt.

Echtzeitmarkierung von Messdaten

Die Firma Hilti AG, Schaan produziert und verkauft das Ferroscan. Das ist ein Gerät, welches ermöglicht, Eisen in Betonwänden zu detektieren. Diese Diplomarbeit befasst sich damit, eine Erweiterung für dieses Gerät zu entwickeln. Die gewonnene Information soll direkt, das heisst in Echtzeit, in eine sichtbare Markierung auf dem Untergrund umgewandelt werden.
Während der ersten Phase der Arbeit entstanden viele mögliche Konzepte, wovon zwei das Potential besassen, umgesetzt zu werden. Nach dem Auswerten aller, durch Versuche gewonnenen Informationen, wurde das Konzept "Filzstiftspitze mit Luftdüse anblasen" ausgewählt. Das Prinzip funktioniert folgendermassen: eine Filzstiftspitze wird mit Luft angeblasen. Die Luft, welche die Filzstiftspitze anbläst, nimmt Farbe mit und markiert den Untergrund.
Die Markierung wird stark von den Parametern Düsendurchmesser, Position der Düse, Winkel zwischen Düse und Filzstift, Betriebsdruck, Schaltzeiten des Ventils und der Art des Filzstiftes beeinflusst. Mit einem speziell für diese Anwendung konstruierten Versuchsaufbau wurden die optimalen Einstellungen experimentell ermittelt. Mit Hilfe der Versuchsplanung wurde das Parameterfeld systematisch getestet. Anhand der gewonnenen Informationen konnten alle Systemkomponenten bestimmt werden. Dazu gehörten Ventile der Reihe MHP1 von Festo, der Filzstifttyp edding550 und eine Druckluftversorgung mittels Druckluftbehälter von Pro Toyz. Der Prototyp der Markiereinheit wurde nach den gegebenen Randbedingungen konstruiert und gefertigt. Eine weitere Komponente des Prototyps befasst sich mit der Verarbeitung des Eingangssignal und der Bereitstellung der benötigten Energie für die Ventile. Die Energie wurde direkt vom bestehenden Gerät abgegriffen. Das ganze führt zu einer kleinen Elektronik, die auf einem Print realisiert wird.
Abschliessende Bestätigungsversuche zeigen, dass alle funktionellen Anforderungen erfüllt werden können. Dazu gehört die geforderte Markierfrequenz von 20Hz, die Markierungsgrösse von maximal 1cm und die 8000 Punkte, die mit einem Filzstift und einer Drucklufttankfüllung machbar sein müssen. Das angestrebte Gewicht von einem Kilo kann nicht erreicht werden, jedoch besteht in diesem Bereich noch sehr viel Potenzial. Alleine durch die Wahl eines Kunststoffgehäuses, könnte das Gewicht um ein vielfaches reduziert werden. Weiteres Potenzial liegt in der Druckluftbereitstellung. Es könnte mit höheren Drücken in den Druckbehältern gearbeitet werden. Dies würde das Volumen der Behälter verkleinern.
Die Diplomarbeit zeigte, dass ein baustellentaugliches Markiersystem realisierbar ist, was vor der Arbeit noch nicht klar war. Es gab schon mehrere Versuche, ein solches System zu entwickeln, doch keines erreichte vergleichbare Ziele. Der Industriepartner beabsichtigt, dieses Konzept zu patentieren und weiter zu verfolgen.

InfraSnow

Die Korngrösse des Schnees bestimmt wesentlich die Gleiteigenschaft der Schneesportgeräte.

Das Resultat der Diplomarbeit ist ein bedienerfreundliches, kälte- und feldtaugliches Handgerät, das dem Anwender innert Sekunden präzise Informationen über die Korngrösse sowie die Temperatur des Schnees liefert.

Der gewählte Lösungsweg besteht in der Messung der Remission naher Infrarotstrahlung (um 950 nm) von Schnee. Daraus lässt sich die Korngrösse der untersuchten Schneeoberfläche berechnen.

Das Gerät bestimmt Remissionsgrade zwischen 10 % und 100 % mit einer Genauigkeit von ± 2 %. Dies übertrifft herkömmliche Bestimmungsweisen deutlich.

Kombiniert mit einer berührungslosen Messung der Temperatur der Schnee-oberfläche und einem GPS zur Bestimmung der Messstandorte ist es möglich, sich ein detailliertes Bild über den Zustand einer Piste zu machen. Dies erleichtert die Wahl der optimalen Ausrüstung für Schneesportler.

Passive Weiche für das Schienentaxi Coaster

Mit dem Coaster wird ein öffentliches Individualverkehrsmittel realisiert. Auf Bedarf kann das schienengebundene Taxi gerufen werden. Es fährt möglichst direkt an das gewünschte Ziel. Die Schienen können Platz sparend neben der Strasse auf sechs Meter Höhe geführt werden. Das Konzept verlangt ein verzweigtes Schienennetz, welches das elektrisch angetriebene Fahrzeug jederzeit formschlüssig hält.

In dieser Diplomarbeit wurde ein mechatronisches Fahrzeug- und Weichen-Konzept entworfen und als Modell realisiert. Das autonome Fahrzeug entscheidet, in welche Richtung es fahren wird. Deshalb beinhaltet es alle Stell- und Kontrollmechanismen zum Passieren der passiven Weiche. Diese darf keine Stellmechanismen besitzen. Sie ermöglicht zudem die formschlüssige Führung des Coasters. Dadurch wird die Sicherheit jederzeit gewährt. Dieses nahezu wartungsfreie Schienenkonzept erlaubt einen hohen Fahrzeugdurchsatz. Die technologische Basis für die bevorstehende Umsetzung liegt nun vor.