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Bachelorarbeit Systemtechnik: Dichtigkeitsmessungen an Querflöten

Dicht am perfekten Ton

Um einen sauberen Klang zu erzeugen, müssen die Klappen einer Querflöte ganz dicht sein. Die Systemtechnik-Absolventen Fabian Rechsteiner und Simon Thalmann haben ein Messgerät entwickelt, das genau dies prüfen kann. Für Instrumentenbauer ist das ein wertvolles Tool, um qualitativ hochwertige Querflöten herzustellen und diese fachmännisch zu warten.

Die Grundlage für grossartige Musik ist ein ebensolches Instrument – das weiss auch der Winterthurer Instrumentenbauer Spiri. Deshalb hat das KMU in Eigenregie ein Messgerät entwickelt, um die Dichtigkeit der Klappen einer Querflöte zu prüfen. Diese Eigenentwicklung funktioniert rein mechanisch mit Flüssigkeitssäulen als Druckanzeigen. Der Aufbau ist aber aufwändig und mit hohen Produktionskosten verbunden. Um eine bessere Alternative zu finden, wandte sich Spiri an die ZHAW School of Engineering. Dort haben sich Fabian Rechsteiner und Simon Thalmann im Studiengang Systemtechnik dem Problem angenommen und während zwei Semestern an einer Lösung gearbeitet – zunächst in einer Projektarbeit und schliesslich auch in der Bachelorarbeit. Das Ziel war es, ein einfaches und robustes Gerät bei gleichzeitig niedrigen Herstellungskosten zu entwickeln.

Fabian Rechsteiner (links) und Simon Thalmann haben ein Prüfgerät für Querflöten entwickelt.
So sieht das Gehäuse des Messgeräts von innen aus.
Die Messwerte der Drucksensoren werden digitalisiert und mittels Mikrocontroller abgespeichert.

Prototyp bereits in Projektarbeit entwickelt

In ihrer Bachelorarbeit knüpften die beiden Systemtechnik-Absolventen nahtlos an ihre Projektarbeit im fünften Semester an. Darin hatten sie bereits einen ersten Prototyp des Prüfgeräts entwickelt. «Die Firma Spiri hat den Prototyp getestet; aufgrund des Feedbacks konnten wir in der Bachelorarbeit an einer neuen, optimierten Version arbeiten», sagt Fabian Rechsteiner. In einem ersten Schritt haben die Absolventen Simulationen der Druckmessungen durchgeführt. Auf diese Weise konnten sie überprüfen, welche physikalischen Einflüsse die im Messsystem vorhandenen Bauteile auf das Messresultat haben. Auf Basis des bestehenden Prototyps haben die Absolventen dann ihre Modelle validiert. Die Ergebnisse bildeten so die Grundlage für die Entwicklung eines verbesserten Messgeräts.

«Was ist eine mustergültige Ingenieursarbeit in Zusammenarbeit mit einem Winterthurer KMU.»

Christoph Stamm

Messung in weniger als einer Sekunde

Im Gegensatz zum ursprünglichen Messgerät der Firma Spiri kommen nun Drucksensoren anstelle von Flüssigkeitssäulen zum Einsatz. Um die Dichtigkeit zu messen, wird eine Art Lanze in die Querflöte gesteckt und verschraubt. Diese Lanze ist in zehn Sektoren unterteilt, die jeweils einzeln mit einem Schlauch angeschlossen sind. Über eine angeschlossene Vakuumpumpe wird ein Unterdruck erzeugt und gleichmässig auf alle Sektoren verteilt. «Ein wichtiger Punkt bei dieser Methode ist die Reduktion des sogenannten Cross-Talks zwischen den Druckmessungen der einzelnen Klappen», so Fabian Rechsteiner. «Denn der Einfluss der Klappen muss untereinander möglichst gering sein, um die Messwerte nicht zu verfälschen.» Mit ihrem System können die Absolventen in weniger als einer Sekunde detektieren, welche der zehn Klappen der Querflöte undicht sind. «Eine Herausforderung ist es dabei, nicht zu viel Unterdruck zu erzeugen, da die Klappen sonst einfach angesaugt werden», ergänzt Simon Thalmann. Dazu haben die Absolventen eine digitale Filterung und eine implementierte Regelung der Druckerzeugung im Gerät verbaut. Die Messwerte der Drucksensoren werden digitalisiert und mittels Mikrocontroller abgespeichert. Auf dem Touchscreen ist die Visualisierung der Werte sichtbar.

Serienproduktion kann kommen

Die beiden Absolventen haben in ihrer Bachelorarbeit das Prüfgerät komplett neu bis zur Vorserienreife entwickelt. «Mit dem neuen Gerät erfüllen wir alle Ansprüche eines Instrumentenbauers an ein solches Prüfsystem, ohne dabei hohe Produktionskosten zu erzeugen», so Simon Thalmann. Die betreuenden Dozenten Christoph Stamm und Roland Büchi sind mehr als zufrieden: «Das ist eine mustergültige Ingenieursarbeit in Zusammenarbeit mit einem Winterthurer KMU», so Christoph Stamm. Und Roland Büchi ergänzt: «Die theoretische Durchdringung eines Systems hat hier zur Optimierung eines realen Produkts geführt.» Wenn es nach den Absolventen geht, kann das Messgerät in Serie gehen. «Wir haben bereits eine detaillierte Konstruktions- und Montageanleitung angefertigt sowie eine Bestellliste für die Bauteile erstellt», so Fabian Rechsteiner. Instrumentenbauer Werner Spiri bestätigt: «Die ZHAW hat meine Erwartungen in die Zusammenarbeit vollumfänglich erfüllt – wir werden die Serienproduktion angehen.»

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