Sensorik Metallkissen mit Sensoren können Elastomeren überlegen sein

Metallkissen stellen aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischen Beständigkeit in vielen Anwendungen eine sinnvolle Alternative zu Elastomerkomponenten dar, glauben Darmstädter Forscher.

Die Elastizität und Dämpfung der Drahtgeflechte aus denen solche Metallkissen bestehen, beruht auf der Wechselwirkung einzelner Drahtsegmente während der Verformung des Systems – ein Mechanismus, der sich auch in der Änderung der elektrischen Eigenschaften widerspiegelt, heißt es. Am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF wurde dieser Effekt nun in Form eines neuen Sensorkonzepts nutzbar gemacht und ein Prototyp entwickelt. Die ebenso dafür entwickelte Sensorik falle positiv auf, weil sie nicht nur günstig sei sondern ihre Integration in bestehende Systeme bauraumneutral erfolgen könne. Mit ihr werden schließlich Schwingungen und Lasten erfassbar. Mit einfachen Mitteln könnten somit Prozesse und Lagerzustände überwacht sowie dynamische Lagerkräfte quantifiziert werden.

Altgediente Technik erhält moderne Elemente

Während die mechanischen Eigenschaften von Elastomeren, also Gummidämpfern, durch makromolekulare Wechselwirkungen geprägt sind, sind es die Abstützung und Reibung ineinander verflochtener Drahtsegmente, die die Elastizität und Dämpfungseigenschaften von Metallkissen bewirken, wie die Forscher erklären. Durch Variation des Drahtdurchmessers, des Drahtmaterials und dessen Webdichte können Metallkissen schließlich nach spezifischen Anforderungen maßgeschneidert werden. Außer durch ihr elastomerähnliches Verhalten zeichneten sich Metallkissen durch ihre sehr gute Beständigkeit gegen aggressive Medien, hohe Temperaturen und Alterungseffekte aus. Deshalb haben sich diese Dämpfer aus Metall insbesondere in chemisch und thermisch anspruchsvollen Anwendungen der Schwingungstechnik etabliert. Sie eröffneten nämlich dort neue Perspektiven, wo konventionelle Elastomerkomponenten aufgeben müssen.

Bildergalerie

Sensorik

Sensoren überwachen schwingende Maschinen energieautark

Metallkissen erkennen Schwingungen und Lagerkräfte

Eine bisher weniger beachtete Eigenschaft von Metallkissen ist aber deren elektrische Leitfähigkeit. Diese variiert mit dem Deformationszustand, weil dieser die Anzahl und Größe der Kontaktflächen im Inneren des Drahtgeflechts beeinflusst – je mehr, desto weniger elektrischer Widerstand. Die Messung der Leitfähigkeit beziehungsweise des elektrischen Widerstands erlaube somit den Rückschluss auf die Verformung des Lagerelements und die darin herrschenden Kräfte. Auf Basis dieser Idee haben die Darmstädter Forscher ein Sensorkonzept entwickelt, durch das Metallkissen nicht nur ihre traditionelle Rolle als Dämpfungselemente einnehmen könnten, sondern darüber hinaus auch die Schwingungsanalyse und Feststellung von statischen und dynamischen Lagerkräften ermöglichten.

Systematische Optimierung des sensorischen Effekts

Die prototypische Umsetzung wurde von statischen und dynamischen Charakterisierungen verschiedener Metallkissen begleitet. Dank der umfangreichen Messtechnik und Erfahrung in der Sensorentwicklung und experimentellen Analyse von Lagerkomponenten am Fraunhofer LBF konnte der sensorische Effekt systematisch untersucht und optimiert werden. Eine einfache Auswerteelektronik reicht bereits aus, um Schwingungen mit Frequenzen bis 50 Hertz akkurat aufzulösen. Ebenso die mit der stark progressiven mechanischen Hysterese verwandte, nicht-lineare Sensorkennline lässt sich in sehr guter Korrelation mathematisch beschreiben, wobei sowohl Weg als auch Kraft als Messgrößen dargestellt werden können.

Vorteil bei der Maschinenwartung

Den ganzheitlichen Überblick behalten: IoT-Tracker schlafen nie

Dazu können Metallkissen mit Sensoren eingesetzt werden

Die Anwendungsmöglichkeiten des Sensorkonzepts erstrecken sich über verschiedene Branchen mit Bezug zur Schwingungstechnik. Ein besonderer Vorteil bestehe darin, dass existierende Systeme auf Metallkissenbasis eben günstig und bauraumneutral mit der Sensortechnologie ergänzt werden könnten, was zu einer effizienteren Nutzung vorhandener Ressourcen und einfach umzusetzender Digitalisierung führe. Die Funktionsintegration erlaubt es, dem hohen Bedarf an strukturdynamischen Daten, die wertvolle Aussagen über Maschinenzustände und Prozesse erlauben, mit praktischen Mitteln gerecht zu werden, wie es weiter heißt. Weiterhin könnten durch die präzise Messung von Lasten und durch die Erkennung von Missbrauchsphasen potenzielle Schäden sowohl ganzer Systeme als auch des Metallkissens selbst frühzeitig erkannt und damit vermieden werden.

(ID:49916148)