3-D-Shaker macht Prüfungen bis 2000 Hz möglich
24.06.15
IMV präsentiert in diesem Sommer eine Europa-Neuheit in München: ein elektrodynamisches 3-achsiges Schwingprüfsystem. Mit dem 3-Achs-Shaker können künftig Tests mit simultaner Anregung in 3-Achsen bis 2.000 Hz durchgeführt werden. „Im servohydraulischen Bereich gibt es diese Art von Prüfungen schon sehr lange“, sagt Martin Engelke, Marketing and Sales Manager IMV Europe. „Bei elektrodynamischen Prüfverfahren ist die 3-achsige Anregung europaweit neu.“ So neu, dass es noch nicht einmal Prüfnormen dafür gibt.
Der 3-D-Shaker funktioniert wie folgt: Drei Schwingprüfsysteme sind jeweils im rechten Winkel zueinander aufgebaut und über einen Schwingtisch und ein Lager miteinander verbunden. In dieser Anordnung kann eine translatorische Anregung (gleichmäßige Bewegung) in drei Achsen reproduziert werden. Das Besondere ist, dass man in einem sehr hohen Frequenzbereich prüfen kann. Während bei der hydraulischen Anregung die unteren Frequenzbereiche bis typisch 150 Hz bedient werden, kann der 3-Achs-Shaker bis 2 kHz testen. Da für die meisten Komponenten die maximale Prüffrequenz bei 500 Hz oder darüber liegt, haben sich elektrodynamische Schwingprüfsysteme seit Jahren für diese Prüfungen etabliert.
Prinzip eines
Lautsprechers
Elektrodynamische Schwingprüfsysteme funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie ein Lautsprecher: Eine Strom durchflossene Spule ist in einem magnetischen Feld (Ständerfeld) gelagert und kann sich entlang einer Achse bewegen. Fließt durch die Spule Strom, entsteht ein magnetisches Feld, das sich vom Ständerfeld wie bei den Polen von zwei Magneten abstößt oder anzieht. Dabei sind Stärke und Richtung der Kraft proportional zum fließenden Strom.
Anders als bei hydraulischen Systemen wird keine hydraulische Energie, sondern elektrische Energie in Bewegung umgesetzt. So haben elektrodynamische Schwingprüfsysteme eine sehr hohe Linearität, wodurch sich Signale mit hoher Güte, einem geringen Fehler und guter Reproduzierbarkeit auch gerade bei hohen Frequenzen erzielen lassen.
Das Prüfen mit der 3-Achs-Technologie hat den Vorteil, dass die mechanischen Umwelteinwirkungen auf eine Struktur künftig noch realistischer abgebildet werden können und die Tests dreimal schneller laufen. Ist eine Nachbildung eines Schadensbildes mit dem 1-achsigen Shaker nicht möglich, kann eine 3-achsige Prüfung das sogenannte Fehlermuster realistischer abbilden.
Bislang wurde
nacheinander simuliert
Bisher wurde nur die zu erwartende Beschleunigung für jede Richtung abgeprüft, d.h. die bei der Verwendung des Produktes zu erwartenden Beschleunigungen wurden in den drei Raum-Achsen nacheinander simuliert. Dabei kann der Bezug der Beschleunigungen zueinander (die Phase der Signale) naturgegeben nicht berücksichtigt werden, und so die Beeinflussung und Überlagerung der Beschleunigungen nicht im Versuch abgebildet werden. Das ist bei einer simultanen Anregung aller 3-Achsen anders: Auch die durch Wechselwirkung der Achsen entstehenden Schadensbilder können nun im Labor erzeugt werden.
Viele Prüfungen im Automobilbereich erfordern lange Prüfzeiten für jede Raum-Achse, z.B. 96 h (4 Tage) pro Raum-Achse. Damit beträgt die reine Netto-Laufzeit der Prüfung schon zwölf Tage. Hinzu kommen Rüstzeiten und Umbauarbeiten. Es kann schnell bis zu drei Wochen dauern, bis Prüfergebnisse vorliegen. Mit der simultanen Anregung der 3-Achsen lassen sich so etwa zwei Wochen einsparen. Für die immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen, ist das schon fast eine Ewigkeit. Neben der verkürzten Prüfzeit werden auch noch die Zeiten für den Umbau der Prüfungen für die einzelnen Achsen eingespart. Und auch das kann ganz erheblich sein. Bei dieser Art komplexer Aufbauten können Fehlerquellen ausgeschlossen werden, da der Aufbau nur einmal eingerichtet werden muss – und nicht dreimal.
Technologie in Asien im Einsatz
Die Technologie ist in Asien schon mehrfach im Einsatz. In Deutschland hat die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig bisher einen 3-Achs-Shaker in Gebrauch. Eine Herausforderung: „Es gibt noch kaum Erfahrungen mit der neuen Technologie“, so Engelke. Damit liegen die Vorteile der Zeitersparnis und besseren Abbildung der Umgebungsbedingungen zwar auf der Hand, was fehlt, ist die praktische Erfahrung bei der täglichen Arbeit.
„Außerdem ist die Bedienung komplexer. Sie erfordert vom Bediener ein hohes Verständnis für die zugrunde liegenden Prinzipien“, so Engelke. „Zum Beispiel müssen die Anforderungen der Kunden gründlicher auf Ihre Durchführbarkeit geprüft werden.“ Mit dem neuen Shaker-System können alle üblichen Testverfahren angewendet werden: Anregung mit Gleitsinus, Rauschen oder auch das Nachfahren von gemessenen Zeit-Beschleunigungsdaten.
Hinzu kommt, dass die Normen und Prüfrichtlinen der Hersteller über Jahre etabliert sind. Diese zu ergänzen und zu ersetzen, kann nur langsam erfolgen. Auch muss der Nachweis erbracht werden, dass das neue Prüfverfahren auch vergleichbare Ergebnisse liefern wie die alten. Wenn diese Vergleiche fehlen, passt auch keine Norm.
IMV möchte dies lösen und der Industrie ein geeignetes System für 3-Achs-Prüfungen zur Verfügung stellen, damit z.B. der Nachweis zur Vergleichbarkeit von Prüfverfahren geführt werden kann. Und auch die Möglichkeit Zustände, Schäden, Ausfälle des Prüflings oder zu prüfenden Produktes zu reproduzieren, die mit 1-achsigen Verfahren nicht zu reproduzieren waren.
Und wie sieht die Shaker-Zukunft aus? „Shaker werden künftig noch weiter integriert“, sagt Martin Engelke: „Der Bediener gibt seine technischen Anforderungen ein. Sollte etwas nicht passen, wird das vom System erkannt und dem Bediener mitgeteilt.“ Auch die Überwachung während der Prüfung wird verbessert, so dass z.B. der Bedarf für eine Wartung nicht wie heute allgemein abgeschätzt wird (z.B. nach 1.000 h eine Wartung durchführen) sondern das anhand konkreter Anlagenparameter ein bestimmtes Verschleiß-Niveau erkannt wird.
Weitere Informationen dazu bekommen Interessenten bei Martin Engelke, Marketing and Sales Manager, IMV Europe, Tel. 089 90405-251 oder per Mail an martin.engelke@imv-tec.com.