Prezentacja Flashcards
Slajd 1
Witam państwa, nazywam się Kamil Wiekszyn, tematem mojej pracy dyplomowej jest “Charakterystyka wieloczęstotliwościowych generatorów energii typu MEMS wykonanych metodą druku 3D”
Opiekunem mojej pracy dyplomowej jest doktor inżynier Patrycja Śniadek
Slajd 2
Celem pracy jest charakteryzacja struktur pod kątem ich właściwości rezonansowych.
Zakres pracy obejmuje pomiar wpływu geometrii mikro-generatorów na zmianę ich właściwości rezonansowych oraz możliwość generowania energii.
Slajd 3
Układy MEMS, czyli miniaturowe urządzenia elektromechaniczne, zbudowane głównie z krzemu, charakteryzują się wysoką precyzją i efektywnością kosztową. Wykorzystywane głównie jako czujniki i generatory, które przekształcają drgania rezonansowe w energię elektryczną (Taki jak przedstawiony na rysunku generator PMG7 firmy Perpetuum).
Dodatkowo, rozwój technologii druku 3D umożliwia prostszą, szybszą i bardziej uniwersalna produkcję generatorów o dużej gęstości mocy.
Slajd 4
Technologia druku 3D, która wywodzi się ze stereolitografi, obejmuje różne metody wytwarzania trójwymiarowych obiektów poprzez nanoszenia kolejnych warstw materiału. Znajduje zastosowanie w branżach takich jak: Motoryzacja, Budownictwo, Lotnictwo, Medycyna, Moda, Bio-druk. Umożliwia ona szybsze i bardziej efektywne prototypowanie oraz produkcję skomplikowanych struktur, co jest szczególnie przydatne w połączeniu z technologią MEMS, do tworzenia precyzyjnych i zminiaturyzowanych urządzeń.
Rysunek przedstawia schemat jednej z technologii druku 3D, znanej jako natryskiwanie materiału (material jeting), wykorzystanej do tworzenia omawianych struktur.
Metoda ta wyróżnia się wysoką rozdzielczością (do 14 mikronów) oraz minimalnymi stratami dzięki precyzyjnemu natryskiwaniu materiału, co umożliwia używanie różnorodnych materiałów, w tym polimerów, ceramiki i kompozytów. Proces ten polega na skraplaniu światłoczułego materiału, który pod wpływem światła UV zestala się, tworząc precyzyjne struktury warstwa po warstwie.
Slajd 5
Głównym celem systemu ENERGY HARVESTING jest wykorzystanie energii utraconej do zasilania systemów w sposób cyrkularny i automatyczny, które wymagają niskonapięciowego źródła energii.
Wieloczęstotliwościowy kombajn energii omówiony w tej pracy, wykorzystuje interakcję pomiędzy polami magnetycznymi, elektrycznymi oraz generowanymi drganiami do indukowania siły elektromotorycznej. Urządzenie wykorzystuje magnesy w masie sejsmicznej oraz cewki do detekcji zmian w strumieniu magnetycznym, co umożliwia konwersje energii wibracyjnej na energię elektryczną.
W tabeli przedstawiono zestawienie przykładowych rodzajów źródeł energii, przetworników tej energii oraz gęstości mocy otrzymywanej z niej.
Slajd 6
Wieloczęstotliwościowy kombajn energii składał się z dwóch harvesterów, każdy z nich zoptymalizowany był pod różne częstotliwości rezonansowe, dzięki zastosowaniu różnych grubości sprężyn oraz umieszczeniu 3 magnesów neodymowych na masie sejsmicznej.
Proces produkcji obejmował wykonanie projektu w programie Inventor, następnie druk 3D struktur harvesterów przy użyciu drukarki wysokorozdzielczej 3D Systems ProJet 3510, po czym struktury były czyszczone i przygotowywane do pomiarów.
Slajd 7
Struktura harvestera została zamocowana w wydrukowanej 3D postawie pomiarowej, przymocowanej do wzbudnika drgań, odpowiedzialnego za pobudzenia generatora. Nad strukturą umieszczono cewki połączone z płytką pomiarową oraz fotorezystorem. Dodatkowo zastosowano układ detekcji optycznej z laserem i fotodetektorem do określenia częstotliwości rezonansowej drgającej mikrostruktury.
Rys 1 Przedstawia schemat układu pomiarowego z zamontowany harvesterem.
Rys 2 Przedstawia przybliżenie układu pomiarowego.
Slajd 8
W pierwszym etapie pomiarowym struktura była oświetlana wiązką lasera, a następnie sygnał był rejestrowany przez fotodetektor w celu wyznaczenia jej częstotliwości rezonansowej.
Kolejnym krokiem było dopasowanie częstotliwości wzbudnika do uzyskania maksymalnej amplitudy drgań struktury, co w rezultacie zwiększało efektywność generacji energii przez harvester.
Wyniki pomiarowe oraz charakterystyka zależności szerokości struktury od częstotliwości rezonansowej ilustrują liniowy wzrost częstotliwości wraz ze wzrostem szerokości sprężyn, co umożliwia precyzyjne dostosowanie struktury do wymaganej częstotliwości pracy kombajnu energii.
Slajd 9
W drugim etapie badań analizowano wpływ zmiany częstotliwości na generowane napięcie przez strukturę harvestera. Wyniki umożliwiły określenie optymalnego zakresu częstotliwości dla każdej z badanych struktur, co pozwala na efektywniejsze dostosowanie szerokości sprężyn w celu maksymalizacji generowanego napięcia skutecznego. Amplituda sygnału pobudzającego okazała się kluczowym czynnikiem wpływającym na ilość generowanego napięcia, co potwierdzono na podstawie analizy wyników pomiarów.
Slajd 10
W trzecim etapie badano generowaną moc skuteczną w zależności od zmiennego obciążenia, co pozwoliło na precyzyjne określenie optymalnego punktu pracy dla badanej struktury. Kluczowe znaczenia miały amplituda sygnału pobudzającego oraz wartość obciążenia, przy czym dla obciążenia w zakresie 360 ohm do 408 ohm osiągnięto maksymalną moc skuteczną.
Slajd 11
W czwartym etapie badano generowaną moc skuteczną w zależności od zmiennego obciążenia oraz połączenia równoległego i szeregowego cewek. Wyniki pokazały, że oba rodzaje połączeń powodują spadek generowanej mocy skutecznej.
Slajd 12
Ostatni etap pomiarów polegał na badaniu wpływu zmiany położenia cewki względem magnesu zamontowanego na masie sejsmiczne struktury. Przy użyciu specjalnego uchwytu pozwalającego na regulację wysokości cewki, okazało się, że moc skuteczna wzrasta do osiągnięcia optymalnej wysokości, po czym zaczyna maleć. Umożliwia to uzyskanie odpowiedniej odległości cewki nad magnesem, w celu osiągnięcia wartości maksymalnej mocy skuteczne danej struktury.
Slajd 13
Na podstawie uzyskanych wyników wykazano, że dzięki technologii druku 3D można tworzyć wieloczęstotliwościowe generatory energii MEMS, które są wystarczająco wydajne do zasilania czujników i układów elektronicznych o niskim poborze mocy.
