Neuartiger Shakeraufbau im Fraunhofer LBF 13.03.2020, 09:37 Uhr

Bauteile gelangen per Resonanzüberhöhungstests an ihre Grenzen

Den Forschern am Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit, kurz LBF, ist es gelungen, Bauteile mithilfe von Resonanzüberhöhungstests einer zehnmal so starken Beschleunigung auszusetzen, als dies mit einem herkömmlichen Shakeraufbau möglich ist.

Numerische Simulation des Gesamtaufbaus zur Resonanzbestimmung

Numerische Simulation des Gesamtaufbaus zur Resonanzbestimmung.

Foto: Fraunhofer LBF/Raapke

Bauteile müssen besonders hohen Belastungen standhalten können und dies gilt insbesondere für Elektronikbauteile. Befinden sich diese in der unmittelbaren Umgebung von schnell drehenden Elektromotoren, können extreme Beschleunigungen auftreten. Aus diesem Grund müssen die Bauteile vor ihrem Einsatz entsprechend getestet werden. Den Forschern am Fraunhofer LBF ist es gelungen, Bauteile mithilfe von Resonanzüberhöhungstests einer zehnmal so starken Beschleunigung auszusetzen, als dies mit einem herkömmlichen Shakeraufbau möglich ist.

Bauteile direkt am Limit

Durch einen neuartigen Shakeraufbau können Elektronikbauteile im Fraunhofer-Institut unter besonders starken Belastungen getestet werden. Die speziellen Resonanzüberhöhungstests bringen die Bauteile an ihre Grenzen und erlauben Beschleunigungen in Höhe von bis zu 1.000 gn. Dank einem neuartigen Versuchsaufbau lassen sich elektronische Komponenten mit einer viel stärkeren Beschleunigung harmonisch monofrequent anregen. Dies funktioniert, da der spezielle Aufbau zuerst numerisch simuliert und anschließend in Resonanz betrieben wird. Die Forscher des Fraunhofer-Instituts können die Anregungsfrequenz durch ein gezieltes Aufbaudesign und in Kombination mit dem Prüfbauteil individuell nach Kundenwunsch festlegen. Auf diese Art lassen sich mit deutlich weniger Energie auch kleinere Bauteile und mit einer höheren Schwingspielzahl belasten. Dieses Verfahren spart sowohl Zeit als auch Kosten.

So wurde das neue Testverfahren entwickelt

Die Wissenschaftler des Instituts erweiterten den herkömmlichen Shakeraufbau durch einen zusätzlichen Resonanzaufbau. Durch diesen Zusatz lassen sich sowohl die Anlage als auch der Prüfling in einer passenden Frequenz in Resonanz betreiben. Zusätzlich werden sämtliche Kräfte, die auf den Prüfling wirken, durch den speziellen Aufbau in Leichtbauweise so niedrig als möglich gehalten. Dank dieser vorteilhaften Kombination erreichen die Forscher des Fraunhofer-Instituts mit einem vergleichsweise geringen Aufwand extreme Beschleunigungen von maximal 1.000 gn. Im Vergleich zu Tests mit einem herkömmlichen Shakeraufbau können die maximal möglichen Belastungen bei dem neuartigen Versuchsaufbau um bis zu zehnmal höher sein. Dadurch eignet sich dieses Verfahren besonders gut für empfindliche Elektronikbauteile, die nach dem Einbau extremsten Beschleunigungen ausgesetzt sind.

Die numerische Simulation ermöglicht eine exakte Auslegung

Vor jedem Belastungstest führen die Wissenschaftler des Instituts eine umfangreiche, numerische Simulation durch. Dadurch lassen sich sämtliche Parameter des Shakeraufbaus präzise abschätzen und dies ist im Hinblick auf die optimale Resonanzfrequenz entscheidend.

Thomas Pfeiffer betreut den Testaufbau am Fraunhofer-Institut und sagt dazu folgendes: „Als Anbieter von verschiedenen Umweltsimulationen in unserer Abteilung können wir auf eine erfahrene Gruppe zurückgreifen, die sich ausschließlich mit den numerischen Analysen beschäftigt. Dadurch können wir unser numerisches Modell je nach Bedarf durch einen zusätzlichen, individuellen Aufbau noch experimentell validieren.“

Dank dieser ausführlichen Simulation können die Forscher vorab sämtliche Belastungen auf die einzelnen Komponenten abschätzen. Dadurch wird sichergestellt, dass im Praxistest die gewünschte Prüfdauer erreicht werden kann. In dem Validierungsexperiment lässt sich die Simulation noch weiter verbessern und anpassen. Unter anderem können die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts präzise abschätzen, wie sich eine weitere Erhöhung der Beschleunigung auf den Shakeraufbau auswirkt.

Die Anregung erfolgt in Resonanz

Dank der langjährigen Erfahrung im Bereich der dynamischen Lastaufprägung kann das Fraunhofer LBF die bewegten Teile bedarfsgerecht und präzise für die individuellen Belastungen auslegen. Mit der vorhandenen Lasersinteranlage können die Wissenschaftler des Instituts sogar komplexere Teile des Aufbaus als monolithische Blöcke konstruieren. Dies spart eine Menge Gewicht und reduziert dadurch die Belastung auf den Shakeraufbau. Darüber hinaus erhöht sich die maximale Belastbarkeit des gesamten Prüfaufbaus. Sollen Prüfobjekte harmonisch angeregt werden, können die Wissenschaftler jeden individuellen Kundenwunsch berücksichtigen. Dadurch können die Forscher bestimme Frequenzen unter Belastungen einhalten oder maximale Beschleunigungsamplituden inklusive Frequenznachführung in den gewünschten Grenzen aufprägen.

Der spezielle Shakeraufbau erfolgt in Leichtbauweise

Je nach Einsatzgebiet und Anwendung der zu prüfenden Bauteile kann eine präzise Anregung (bis zu 1 Hertz genau) über eine kontinuierlich hohe Schwingspielanzahl vonnöten sein. Dank der numerischen Vorauslegung, der speziellen Leichtbauweise und dem zusätzlichen Resonanzaufbau lassen sich sämtliche Voraussetzungen problemlos umsetzen. Bei jedem Test wird die Beschleunigungs-Amplitude streng nach Vorgabe auf das jeweilige Prüfobjekt eingestellt. Zusätzlich können die Forscher des Fraunhofer-Instituts die maximale Beschleunigung bei einer geringfügig variablen Frequenz anregen, indem sie die Frequenz einfach nachführen. Bei diesem Test liegt der Fokus auf der hohen Beschleunigungs-Amplitude, die das Bauteil in der gewünschten Stärke belastet.

Es gibt bereits Einsatzmöglichkeiten in der Praxis

Dank dem Zusammenspiel der unterschiedlichen Fachdisziplinen des Fraunhofer-Instituts lassen sich die Testspezifikationenindividuell gestalten, vorhandene Prüfmaschinen ausreizen und diese außerhalb sämtlicher Normspezifikationen testen. Das Unternehmen C. & E. Fein GmbH hat den neu entwickelten und individuell angepassten Testaufbau bereits in der Praxis eingesetzt und ist mit den Ergebnissen sehr zufrieden.

Mark Heilig, zuständig für die technische Analyse, sagt dazu folgendes: „Dank der engen, lösungsorientierten Zusammenarbeit lassen sich sämtliche Zielsetzungen situativ anpassen und umsetzen“.

Es ist wohl nur eine Frage der Zeit, bis der von den Fraunhofer-Wissenschaftlern entwickelte Shakeraufbau in weiteren Unternehmen zum Einsatz kommt.

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