Intelligente Lagerungen durch Metallkissen mit integrierter Sensorfunktion

Me­tall­kis­sen stel­len auf­grund ih­rer ho­hen che­mi­schen und ther­mi­schen Be­stän­dig­keit ei­ne sinn­vol­le Al­ter­na­ti­ve zu Elast­o­mer­bau­tei­len dar. Die Elas­ti­zi­tät und Dämp­fung von Draht­ge­flech­ten be­ruht auf der Wech­sel­wir­kung der ein­zel­nen Draht­seg­men­te wäh­rend der Ver­for­mung. Die­ser Me­cha­nis­mus spie­gelt sich auch in der Än­de­rung der elek­tri­schen Ei­gen­schaf­ten wi­der. Am Darm­städ­ter Fraun­ho­fer-In­sti­tut für Be­triebs­fes­tig­keit und Sys­tem­zu­ver­läs­sig­keit LBF ha­ben For­sche­rin­nen und For­scher die­sen Ef­fekt in Form ei­nes neu­en Sen­sor­kon­zepts nutz­bar ge­macht.t.

  • Februar 1, 2024
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  • Beispiel Metallkissen und Skizze des Sensorkonzepts. Grafik: Fraunhofer LBF.
    Beispiel Metallkissen und Skizze des Sensorkonzepts. Grafik: Fraunhofer LBF.
  • Mechanisches und elektrisches Hysterese-Verhalten. Grafik: Fraunhofer LBF.
    Mechanisches und elektrisches Hysterese-Verhalten. Grafik: Fraunhofer LBF.

Das neue Sensorikkonzept auf Basis von Metallgeflechten kann kostengünstig und bauraumneutral in bestehende Systeme integriert werden und erfasst Schwingungen und Belastungen direkt. Mit einfachen Mitteln können Prozesse und Lagerzustände überwacht und dynamische Lagerkräfte quantifiziert werden. Anwendungen sind im Fahrzeug- und Maschinenbau sowie in der Mess- und Prüftechnik denkbar.

Einzigartige Funktionsintegration

Während die mechanischen Eigenschaften von Elastomeren durch makromolekulare Wechselwirkungen geprägt sind, werden die Elastizität und die Dämpfungseigenschaften von Metallpolstern durch die Auflage und Reibung der ineinander verflochtenen Drahtsegmente bestimmt. Je nach Anforderung werden die Formteile durch Drahtdurchmesser, Werkstoff und Webdichte beeinflusst. Neben dem elastomerähnlichen Verhalten sind Metallpolster durch eine hervorragende Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien, extremen Temperaturen und Alterungseffekten gekennzeichnet. Deshalb haben sie sich in chemisch und thermisch anspruchsvollen Anwendungen der Schwingungstechnik etabliert. Sie eröffnen neue Perspektiven, wo herkömmliche Elastomerbauteile an ihre Grenzen stoßen.

Die elektrische Leitfähigkeit von Metallkissen ist eine bisher wenig beachtete Eigenschaft. Diese variiert mit dem Verformungszustand, der beeinflusst, wie viele Kontaktflächen innerhalb des Drahtgeflechts existieren und unter welchem Druck diese stehen. Die Leitfähigkeit bzw. den elektrischen Widerstand zu messen, erlaubt, auf die Verformung des Lagerelements und die darin wirkenden Kräfte zu schließen. Basierend auf dieser Idee hat ein interdisziplinäres Team am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ein neuartiges Sensorkonzept entwickelt: Die Metallkissen können neben ihrer traditionellen Rolle als Strukturbauteil auch zur Schwingungsanalyse und zur Erfassung statischer und dynamischer Lagerkräfte eingesetzt werden. Die Einzigartigkeit dieses innovativen Konzepts der Funktionsintegration wird durch die erfolgreiche Patentierung unterstrichen.

Effizient und präzise Schäden detektieren

Die prototypische Umsetzung wurde durch statische und dynamische Charakterisierungen verschiedener Metallkissen begleitet. Dank der großen Erfahrung in der Sensorentwicklung und der experimentellen Analyse von Lagerkomponenten sowie mit Hilfe einer umfangreichen Messtechnik waren die Darmstädter Forscherinnen und Forscher in der Lage, die sensorische Wirkung systematisch zu untersuchen und zu optimieren. Eine einfache Auswerteelektronik ist ausreichend für die präzise Auflösung von Schwingungen mit Frequenzen bis 50 Hz. Auch die nichtlineare Kennlinie des Sensors, die mit der stark progressiven mechanischen Hysterese verwandt ist, lässt sich in sehr guter Korrelation mathematisch beschreiben. Dabei können sowohl Weg als auch Kraft als Messgrößen dargestellt werden.

Die Anwendungsmöglichkeiten des Sensorkonzepts erstrecken sich über verschiedene Branchen mit Bezug zur Schwingungstechnik. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass bestehende Systeme auf Metallkissenbasis kostengünstig und bauraumneutral um die Sensorik ergänzt werden können. Dies führt zu einer effizienten Nutzung vorhandener Ressourcen und einer einfach zu realisierenden Digitalisierung. Durch die Integration von Funktionen kann der hohe Bedarf an strukturdynamischen Daten, die wertvolle Aussagen über den Zustand von Maschinen und Prozessen ermöglichen, mit praktikablen Mitteln gedeckt werden. Darüber hinaus können durch die präzise Messung von Belastungen und die Detektion von Fehlbelastungen potenzielle Schädigungen von Gesamtsystemen sowie des Metallpolsters selbst frühzeitig erkannt und vermieden werden.