Obwohl die aktive Ultraschalltechnologie als effiziente Einbringung von Schwingungsenergie zur Prozessunterstützung in vielen Bereichen wie in der Medizintechnik, in der Fügetechnik oder in spanenden Fertigungsverfahren zunehmend Verbreitung findet, ist die Funktionsvielfalt und die industrielle Anwendung der Ultraschallsysteme eingeschränkt. Der Grund hierfür liegt in unzureichenden Methoden zur Auslegung von bei o.g. Anwendungen eingesetzten Längsschwingersystemen, die zu einer zeit- und ressourcenaufwändigen Entwicklung der Ultraschallsysteme führen. Weiterhin sind bisherige Methoden zur Auslegung von Schwingsystemen nur für rotationssymmetrische Einzelkomponenten der Systeme mit Längsschwingern hinreichend genau. Es fehlen ausreichende Kenntnisse für die schwingungstechnische Auslegung von komplexen, nicht-rotationssymmetrischen Komponenten bzw. mehrteilige Systembauteile eines Ultraschallsystems. Auch ist die Auslegung von Ultraschallsystemen, die keine Längsschwinger sondern sogenannte Biegeschwinger nutzen, bisher nicht erforscht.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine effiziente Methode zur konstruktiven, simulativen und messtechnischen Auslegung von komplexen Schwingerwerkzeugen zur spanenden, ultraschallunterstützten Bearbeitung entwickelt. Dazu wurden wichtige Einflussgrößen auf ein Schwingsystem und die Grundzusammenhänge herausgestellt sowie ein zeitsparendes, neuartiges Programm zur automatisierten Berechnung und Optimierung von Schwingergeometrien generiert.

In diesem Programm wurde die mathematische Software Matlab mit der Finite-Elemente-Strukturberechnungssoftware Ansys verknüpft. Zur Geometrieoptimierung wurden unterschiedliche Algorithmen implementiert, z.B. schwerpunktmäßig ein genetischer Algorithmus. Mit dem Programm sind iterativen Berechnungsschritte effizient automatisiert, um eine große Zeitersparnis in der Entwicklung von Ultraschallschwingern zu erreichen. Zudem ermöglicht das Programm die dreidimensionale Berechnung einer Vielzahl an komplexen Schwingergeometrien für die spanende Bearbeitung. Die Methode wurde am Beispiel von der Entwicklung neuartiger Schwingern und prototypischer Systeme für das Ultraschallsuperfinishing mit Längsschwingern und das Ultraschalldrehen von komplexen optischen Formen mit Biegeschwingern validiert. Die Erkenntnisse können in der industriellen Praxis Verwendung finden, um den Entwicklungsaufwand für innovative, aktive Ultraschallsysteme für diverse Anwendungen auf ein Minimum zu beschränken.