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1-2-2021

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Sensoren Dem Verschleiß

Sensoren Dem Verschleiß auf den Grund gehen – mit Sensoren Früher hat ein erfahrener Mitarbeiter mit seinen Sinnesorganen Veränderungen im Verhalten von Maschinen wahrgenommen, die auf eine Störung hinwiesen. Veränderungen in der Art des Geräusches, des Vibrationsverhaltens, der Oberflächentemperatur, der Steifigkeit von Strukturen etc. waren Hinweise darauf. Heute übernehmen Sensoren diese Aufgabe. Sie werden bei Lebensdauer- und Belastungsprüfmethoden verwendet, um Schwachstellen von Prüflingen zu erkennen. Betriebsfestigkeitsprüfungen (Durability): Bei der Bestimmung der Lebensdauer eines Produkts spielt die Betriebsfestigkeit eine wesentliche Rolle. Diese Eigenschaft beschreibt, wie ein Prüfling Belastungen in einem definierten Zeitraum schadensfrei überstehen kann. Dazu werden oft mit Hilfe der „Wöhlerkurve“ die Lastbzw. Spannungsamplituden gegen die Anzahl der Zyklen jeweils logarithmisch dargestellt. Die Wöhlerkurve ist in drei Bereiche eingeteilt: Kurzeitfestigkeit oder statische Festigkeit (10.000 bis 1 Million Zyklen Schadensfreiheit) Um Betriebsfestigkeitsprüfungen einigermaßen genau zu bestimmen braucht es viel Zeit (bei Fahrzeugen manchmal 1 Million km Fahrstrecke und drei Jahre Dauerversuche). Um diese Prüfungen in realistischen Zeiträumen durchführen zu können, ist eine Verkürzung notwendig. Dies kann beispielsweise durch Änderungen an den Parametern der Experimente erreicht werden: 1) Höhere Belastungsamplituden 2) Höhere Geschwindigkeiten 3) Nur wesentliche Ereignisse 4) Vereinfachung (beispielsweise durch Verwendung von Sinusstatt realen Schwingungen) Environmental Stress Screening (ESS) ESS beschreibt eine solche Belastungsprüfung und -auslese in einer beschleunigten Lebenszeit. Hier werden Prüflinge in einer verhältnismäßig kurzen Zeit (Tage bis Monate) Belastungen unterworfen, die normalerweise während der gesamten Lebensdauer des Prüflings vorkommen. Ziel ist es, die Ausfallhäufigkeit zu minimieren. Hierbei wird versucht den in der Skizze dargestellten „Badewannenverlauf“ so „tief“ wie möglich zu halten. ESS wird in die zwei Bereiche HASS und HALT unterteilt, in der diese Ausfälle eintreten können: • HASS, eine Auslese-Püfung (ohne Beschädigung der Produkte), die Autor: Dipl. Phys. H. A. Holtkamp, Geschäftsführer disynet GmbH sensoren@disynet.de www.sensoren.de Bild 1: Mit Hilfe der „Wöhlerkurve“ werden die Last- bzw. Spannungsamplituden gegen die Anzahl der Zyklen jeweils logarithmisch dargestellt. 24 PC & Industrie 1-2/2021

Sensoren Bild 2: Die beschleunigte Lebensdauerprüfung deckt Schwachstellen auf in der Produktionsphase eingesetzt wird, um Fertigungsfehler zu erkennen (also am Anfang des Lebenszylkus). Prüfungen während der normalen Nutzungsdauer des Produktes mit einer relativ konstanten und zufälligen Ausfallrate. • HALT, eine Konstruktions-Prüfung, die in der Entwicklungsphase eingesetzt wird, um Designfehler zu erkennen. Hier werden Prüflinge solange getestet, bis sie eine Beschädigung aufweisen (also eher am Ende des Lebenszyklusses). Higly Accelerated Life Testing (HALT) Hier wird versucht, Designfehler zu erkennen. Diese sind beispielsweise ungeeignetes, zu dünnes oder zu dickes Material, falsche Bauformen, schlechte Aerodynamik, schlechte Federung, zu grobe Toleranzen etc. Solche Fehler können dazu führen, dass das Produkt im Betrieb zu stark vibriert, an Schwachstellen leicht bricht, bei hohen Temperaturen geschwächt wird, Flüssigkeitsleitungen im Produkt undicht werden, etc. Um diese Mängel zu erkennen, wird das Produkt Belastungen durch Temperatur und Vibration ausgesetzt, die stufenweise so lange erhöht werden, bis es ausfällt. Die so getesteten Produkte können nicht mehr verwendet werden. HALT ist also auf den ersten Blick sehr kostenintensiv. Aber mittels HALT werden Schwachstellen durch Designfehler in kürzester Zeit erzwungen, die sonst erst mehrere Jahre nach der Markteinführung - während dem Betrieb beim Kunden - erkennbar werden würden. Da Produkte erst nach Beseitigung dieser Fehler im Design auf dem Markt eingeführt werden, wird die Betriebslebensdauer deutlich erhöht, sehr hohe Haftungskosten vermieden, die beispielsweise auf Grund von Produktausfall oder von Rückholaktionen entstehen, und damit schließlich die Produktzufriedenheit der Kunden deutlich verbessert. Deshalb stellt HALT ein sehr wirtschatfliches Verfahren dar. Bild 4: Maßgeschneiderter Drehmomentsensor mit Telemetrie zur Getriebeüberprüfung Bild 3: In der ESS-Kammer werden die Produkte einer Alterung unterzogen Highly Accelerated Stress Screen (HASS) HASS ist eine stark beschleunigte Belastungsauslese von Produkten während der Produktion. HASS wird in der Produktionsendkontrolle eingesetzt, um mangelhafte Produkte auszusortieren und Fertigungsfehler - im Gegensatz zu Designfehlern - zu finden. Fertigungsfehler sind beispielsweise kalte Lötstellen, schlechte Schweißnähte und andere Verbindungen, lose Schrauben, Luftblasen bei Verklebungsprozessen, usw... Da die Produkte nicht beschädigt werden dürfen, sind die Belastungen bei HASS deutlich niediger als bei HALT. Mit HASS wird versucht, die Frühphase des Produktes im Betrieb in sehr kurzer Zeit durchlaufen zu lassen. Diese künstliche Alterung provoziert herstellungsbedingte Schwachstellen bei fehlerhaften Produkten, die sonst nur nach dem Einsatz im Betrieb festzustellen wären. Fehlerhafte Produkte können so in der Produktionsendkontrolle herausgefiltert werden. Gute Produkte werden durch HASS (im Gegensatz zu HALT-Prüfungen) nicht gefährdet. Non-Destructive Testing (NDT) Diese Art von zerstörungsfreier Werkstoffprüfung (ZfP), bezeichnet man generell als NDT. Hier wird die Qualität des Prüflings mit unterschiedlichen Verfahren untersucht, ohne ihn zu beschädigen. Die verwendeten Verfahren kön- Bild 5: Durch Condition Monitoring können Abweichungen frühzeitig erkannt werden. Außerdem kann der optimale Zeitpunkt einer Wartung ermittelt werden. PC & Industrie 1-2/2021 25

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