18.03.2020

Bauteile am Limit

Neuer Versuchsaufbau erreicht Beschleunigungen von bis zu 1000 g.

Bauteile müssen extremen Belastungen standhalten. Insbesondere bei Elektronik­bauteilen, die in der Nähe von schnell­drehenden Elektro­motoren verbaut sind, können hohe Beschleunigungen auftreten. Am Fraunhofer-Institut für Betriebs­festigkeit und System­zuverlässigkeit LBF in Darmstadt können Prüflinge mittels Resonanz­überhöhungstests mit mehr als zehnmal höheren Beschleunigungen getestet werden als bei einem herkömmlichen Shaker­aufbau. Möglich macht dies die breite Aufstellung in den Bereichen Umweltsimulation, Betriebs­festigkeit, numerische Simulation und individueller komplexer Bauteil­fertigung.

Abb.: 1000 g: Experi­menteller Aufbau zur Versuchs­durchführung für sehr...
Abb.: 1000 g: Experi­menteller Aufbau zur Versuchs­durchführung für sehr hohe Beschleu­nigungen. (Bild: Raapke, Fh.-LBF)

In ihrer Testanordnung erweitern die Wissen­schaftler am Darmstädter Institut einen Shaker durch einen Resonanz­aufbau, was es ermöglicht, die Anlage und den Prüfling bei einer gewünschten Frequenz in Resonanz zu betreiben. Außerdem werden die auf den Prüfapparat wirkenden Kräfte durch Leichtbau der bewegten Massen niedrig gehalten. So erreichen die Wissen­schaftler mit vergleichsweise wenig Aufwand Beschleunigungen von bis zu 1000 g bei einer harmonischen Anregung. Zur optimalen Auslegung des Gesamt­aufbaus führen die Wissenschaftler vorab eine numerische Simulation durch. So können sie verschiedene Parameter des Aufbaus genau abschätzen, die für die Resonanz­frequenz entscheidend sind. Das Besondere daran betont Thomas Pfeiffer, der den Testaufbau am Fraunhofer LBF betreut: „Wir können hier als Anbieter von Umwelt­simulationen in der Abteilung auf eine Gruppe zurückgreifen, die sich mit numerischen Analysen beschäftigt. Je nach Bedarf können wir das numerische Modell zusätzlich mithilfe des indi­viduellen Aufbaus experi­mentell validieren.“

Durch die Simulation lässt sich dann vorab die Belastung der einzelnen Prüfaufbau­komponenten abschätzen. So wird sichergestellt, dass sich die gewünschte Prüfdauer erreichen lässt. In einem Validierungs­experiment können die Forscher die Simulation weiter verbessern und die maximal mögliche Überhöhung der Beschleunigung gegenüber der maximalen Beschleunigung des Shakers abschätzen. Die langjährige Erfahrung im Bereich dynamischer Last­aufprägung ermöglicht es, bewegte Teile präzise und bedarfsgerecht für die jeweiligen Belastungen auszulegen. Mithilfe der eigenen Laser­sinteranlage kann das Institut komplexe Teile des Resonanzaufbaus als mono­lithischen Block konstruieren. Das spart Gewicht und reduziert somit die Belastung des Shakers. Ebenso erhöht sich die Belastbarkeit des Prüfaufbaus in Resonanz. „Für die harmonische Anregung des Prüflings können wir je nach Kundenwunsch eine feste Frequenz bei geforderter Beschleunigung einhalten oder eine maximale Beschleunigungs­amplitude mit Frequenz­nachführung in vorgegebenen Grenzen aufprägen“, sagt Pfeiffer. 

Je nach Anwendung und Einsatz des zu prüfenden Bauteils kann eine auf bis zu ein Hertz genaue Anregung über eine hohe Schwing­spielzahl erforderlich sein. Durch numerische Vorauslegung, Leicht­bauweise und Resonanz­aufbau können diese Voraus­setzungen am Prüfstand umgesetzt werden. Dabei wird die Beschleunigungs­amplitude nach Vorgabe auf das Testobjekt geregelt. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, bei geringfügig variabler Frequenz, eine maximale Beschleunigung in Resonanz anzuregen, indem die Frequenz nachgeführt wird. Der Fokus des Tests liegt hierbei auf der hohen Beschleunigungs­amplitude, mit welcher das Bauteil belastet werden soll. In der Praxis erprobt hat die neuen Testmöglichkeiten bereits die Firma C. & E. Fein. „Durch das Zusammenspiel verschiedener Fach­disziplinen am Fraunhofer LBF ist es möglich, Test­spezifikationen nach unseren Wünschen zu gestalten, vorhandene Prüfmaschinen auszureizen und außerhalb von Normspezi­fikationen zu testen. Durch die enge lösungs­orientierte Zusammenarbeit können Ziel­setzungen situativ angepasst und umgesetzt werden“, sagt Mark Heilig, zuständig für Technische Analyse.

Fh.-LBF / JOL

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