Prüfung und Validierung von Schwingungen

Schwingprüfungen können einen Produktlebenszyklus mit Belastung und Verschleiß zu einer kurzen Zeitspanne verdichten und verborgene Schwachstellen der Konstruktion aufdecken.

Wir müssen sicher sein, dass Produkte den Stößen und Belastungen standhalten können, denen sie im Laufe ihrer Lebensdauer ausgesetzt werden. Zum Beispiel:

  • Ein Mobiltelefon muss aushalten können, in einem Rucksack herumgestoßen zu werden oder ab und zu auf den Boden zu fallen. Wenn es diesen Alltagsbelastungen nicht gewachsen ist, erlebt der Hersteller eine Explosion der Garantieausgaben und riskiert eine Verschlechterung seines Markenimage. Und wahrscheinlich werden die Kunden ihr nächstes Mobiltelefon woanders kaufen.
  • Ein Satellit muss die enormen Vibrationen beim Start in den Weltraum überleben. Versagt er, können die Investitionen in die Entwicklung und den Bau des Satelliten in Gefahr sein.

Um sicherzustellen, dass Kunden intakte und voll funktionstüchtige Produkte erhalten, ist es wichtig, dass diese den Transport von der Verpackungslinie im Werk bis zur Ankunft am Bestimmungsort gut überstehen.

Dass Produkte kurzzeitig einwirkenden physikalischen Kräften standhalten können, reicht jedoch nicht aus. Die Entwickler müssen auch gewährleisten, dass ihre Produkte langfristig die von der Marke repräsentierte Integrität und Qualität bewahren. Zu diesem Zweck erfolgt die Qualifizierung und Verifizierung von Produkten mithilfe umfangreicher Simulationen in den Phasen der Entwicklung – doch auch die Simulation ist nicht ausreichend. Zusätzlich müssen Tests an physischen Prototypen und fertigen Produkten durchgeführt werden, um die simulierten Ergebnisse zu validieren und den Kunden gegenüber die Haltbarkeit des Produkts nachzuweisen.

Sicherung der Produktintegrität

Schwingprüfungen helfen Herstellern, die Qualität, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Produkten und ihren Komponenten sicherzustellen. Diese Prüfungen können Konstruktionsschwächen aufdecken, die sonst erst bei Transport oder Nutzung in Erscheinung treten würden – z.B. wenn ein Schutzhelm auf dem Boden aufschlägt. Manche dieser Tests, z.B. „Buzz, Squeak and Rattle“ (BSR) in Fahrzeuginnenräumen, liefern auch Informationen über die Entwicklung unerwünschter Geräusche. Bei Umweltprüfverfahren wie „Highly Accelerated Lifetime Testing“ (HALT) und „Highly Accelerated Stress Screening“ (HASS) werden Schwingprüfungen mit Klimakammern kombiniert, um Dehnungsspannungen beim schnellen Erhitzen und Abkühlen zu erfassen. Diese Prüfungen werden in der Regel an industriellen und elektronischen Komponenten und Produkten, an medizinischer Ausrüstung und Militär-Hardware durchgeführt.

Profile für Schwingprüfungen

Wo kommen die bei Schwingprüfungen verwendeten Profile her? Kunden, Endnutzer oder Hersteller, die eine Komponente in eine Baugruppe einfügen, definieren häufig selbst die Spezifikationen und Verfahren für die Schwingprüfung. Diese beruhen meist auf Erfahrung und Wissen, welche Konstruktionslösungen gut funktionieren und welche nicht. Schwingprüfungen können einen strukturierten Ansatz bieten, um durch Vibrationen verursachtes Versagen und Defekte zu verstehen.

Prüfungen nach Normen

Zahlreiche Profile für Schwingprüfungen sind in Normen definiert, die über viele Jahre entwickelt wurden. Es gibt viele davon und häufig beziehen sie sich auf bestimmte Anwendungen und Produkte. Beispiele dafür sind DIN, ISO, BS, MIL, IEC und ASTM. Standardisierte Prüfungen werden besonders im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung durchgeführt. Hierzu gehören MIL-STD-810, NATO STANAGs und AS/EN9100.

Vibration testing for durability, quality assurance and troubleshooting

Auswahl eines Systems

Es ist wichtig, dass Ihr System für die Prüfung geeignet ist – das heißt, es muss die benötigten Schwingungstypen liefern und die Kräfte handhaben können, die bei der Prüfung spezifischer Nutzlasten erzeugt werden. Besonders wichtig ist die Eigenüberwachung der resultierenden Schwingungspegel, damit das Prüfobjekt nicht stärker als notwendig belastet wird.

Es gibt viele Möglichkeiten für die Konfiguration von Systemen, um die Prüfanforderungen zu erfüllen. Nachfolgend finden Sie einige gängige Typen von Schwingprüfungen und unsere Vorschläge für Systeme, um diese durchzuführen. Daneben gibt es viele weitere Möglichkeiten zur Konfiguration von Systemen für spezifische Prüfungen. Falls Ihre Anforderungen bei den Vorschlägen nicht berücksichtigt sind, sehen Sie bitte im Abschnitt über die Produkte für Schwingprüfungen nach oder nehmen Sie mit uns Kontakt auf, damit wir Ihre Prüfanforderungen diskutieren können.

Mithilfe von Haltbarkeits- und Ermüdungsprüfungen beurteilen Hersteller, wie gut ihre Produkte und Komponenten dem normalen Gebrauch standhalten. Komponenten, Baugruppen und fertige Produkte werden Schwingungen ausgesetzt, die tatsächliche Einsatzbedingungen nachbilden. Dies ist wichtig für die Beurteilung, ob Produkte über ihre vorgesehene Lebensdauer gebrauchstauglich bleiben. Bei Haltbarkeitsprüfungen werden Produkte entweder nach bestimmten Normen geprüft, die häufig von OEMs und wichtigen Zulieferern definiert wurden, oder sie werden bis zur Zerstörung getestet.

Haltbarkeitsprüfungen werden häufig viele Male wiederholt. Deshalb muss ihre Einrichtung, Durchführung und Abnahme einfach sein. Die Durchführung wird erleichtert, indem Prüfprofile über die Regler-Software gespeichert und wiederverwendet werden können.

Systemvorschlag

Eine gebräuchliche Systemkonfiguration für Haltbarkeitsprüfungen verwendet einen luftgekühlten Schwingerreger mittlerer Kraft, der in einer vertikalen oder horizontalen Konfiguration eingesetzt werden kann, zum Beispiel eine V875-440 Combo. Dies ist ein vielseitiger Schwingerreger für Nutzlasten bis 600 kg, beispielsweise Baugruppen und Untergruppen für die Automobilindustrie und die Luft- und Raumfahrt. Der Schwingerreger des Systems kann ausgetauscht werden, wenn unterschiedliche Nutzlasten dies erfordern.

> LDS V875 - Schwingerreger mittlerer Kraft

> Schaltleistungsverstärker 8 - 56 kVA LDS SPA-K

> Schwingungsregler LDS COMET USB

> Triaxialer CCLD Beschleunigungsaufnehmer mit TEDS Typ 4535-B

Um zu untersuchen, wie gut Produkte, Komponenten und Teilsysteme einen Fall, einen Schock oder sogar einen Pyroschock überleben, werden häufig Schocktests, Fallprüfungen und/oder Schlagversuche ausgeführt. Bei Schockprüfungen werden Nutzlasten wie Fernsehgeräte, Autoteile oder Haushaltsgeräte für kurze Zeit rasch mit 11 m/s beschleunigt, um zu simulieren, dass ein Auto in ein Schlagloch fährt oder ein Fernseher beim Transport fallengelassen wird.

OEMs aus der Automobilindustrie, militärische und kommerzielle Hersteller verwenden Normen für Schockprüfungen. Zu diesen gehören SAE J1455 für Schock- und Fallprüfungen von Fahrzeugen und Komponenten, IEC 60068-2-27, IEC 60068-2-29 und IEC 60068-2-31 für klassisches Schocken, Dauerschocken und Schocks durch raue Handhabung von kommerziellen Produkten sowie MIL-STD-810 für klassisches Schocken und die Analyse des Schockantwortspektrums (SRS) von militärischen Systemen. Durch Speichern und Wiederverwendung standardisierter Prüfprofile über die Regler-Software wird die Durchführung erleichtert.

Systemvorschlag

Für Schockprüfungen empfehlen wir ein System mit dem luftgekühlten Schwingerreger V8 mit mittlerer Kraft, der eine branchenführende Auslenkung von 63,5 mm und eine Spitzengeschwindigkeit von 1,8 m/s erreicht. Gesteuert wird der Vorgang mit dem intuitiven  LASERUSB Regler, dessen Schockprüfungssoftware die schnelle und präzise Aufzeichnung und Analyse der Tests ermöglicht. Für anspruchsvollere Schockanalysen berechnet PULSE Reflex SRS die Schockantwortspektren aus Transienten im Zeitbereich, um das Schadenspotenzial kurzzeitiger Ereignisse zu ermitteln.

shock and drop test

> LDS V8 - Schwingerreger mittlerer Kraft

> Schaltleistungsverstärker 8 - 56 kVA LDS SPA-K

> Schwingungsregelsystem LDS LASER USB

> Schockantwortanalyse - Typ 8730

> Triaxialer CCLD Beschleunigungsaufnehmer mit TEDS Typ 4535-B

Verpackungstests und Transportsimulationen sollen die Reise eines Produkts vom Zeitpunkt der Verpackung im Werk bis zum Eintreffen beim Kunden simulieren. Damit soll sichergestellt werden, dass das Produkt ausreichend durch die Verpackung geschützt wird und auch die Verpackung den Transport unbeschädigt übersteht. Tests reproduzieren beispielsweise die Auswirkungen des Transports auf eine Palette mit Fernsehgeräten in Verpackung, eine transportverpackte Waschmaschine oder eine Kiste mit Fahrzeug- oder Flugzeugkomponenten. Die Tests können auch dazu dienen, das Verpackungsdesign zu verbessern und den Verbrauch von Verpackungsmaterial zu optimieren.

Systemvorschlag

Das vorgeschlagene System für Verpackungstests kombiniert einen LDS Schwingerreger V875-640 mit einem Magnesium Head Expander mit einem LASERUSB Regler und einem SPA-K-Verstärker.

> LDS V875 - Schwingerreger mittlerer Kraft

> Schaltleistungsverstärker - 56 kVA LDS SPA-K

> Schwingungsregelsystem LDS LASER USB

> Schockantwortanalyse - Typ 8730

> Triaxialer CCLD Beschleunigungsaufnehmer mit TEDS Typ 4535-B

Environmental Stress Screening (auch als ESS-Prüfung oder „Shake and Bake“ bezeichnet) ist ein Prüfverfahren, bei dem Produkte hohen oder niedrigen Temperaturen oder zyklischen Temperaturschwankungen ausgesetzt und gleichzeitig geschüttelt werden, um sicherzustellen, dass die Kombination von thermischer und Schwingungsbelastung nicht zum Versagen des Produkts führt. Mit dieser Methode soll der stabile Betrieb unter extremen Bedingungen gewährleistet werden, beispielsweise beim Einsatz in Wüsten, heißen Produktionsumgebungen oder sehr kaltem Klima. Zu den Prüfungen gehören Highly Accelerated Lifetime Testing (HALT) und Highly Accelerated Stress Screening (HASS). ESS wird häufig für militärische Produkte und Komponenten angewendet, die unter extremen Temperaturen zum Einsatz kommen, sowie für Industrieprodukte wie Automobilkomponenten – sowohl Motorkomponenten als auch Kabinenbaugruppen. Militärische Produkte werden bei Temperaturen von –55 °C bis +125 °C geprüft, Industrieprodukte normalerweise im Bereich von –40 °C bis +85 °C.

Systemvorschlag

Für ESS-Prüfungen wird ein Schwingerreger – z.B. ein V875 mit temperierter Aufspannvorrichtung und thermischer Barriere – mit einer Klimakammer verbunden, wobei sich nur die Nutzlast und die Aufspannvorrichtung in der Kammer befinden. Je nach Art der Prüfung kann der Schwingerreger vertikal oder horizontal konfiguriert sein. Der  LASERUSB Regler unterstützt standardisierte Prüfungen, unter anderem nach MIL-STD-810 und DEF STAN 00-35.

> LDS V875 - Schwingerreger mittlerer Kraft

> Schaltleistungsverstärker 8 - 56 kVA LDS SPA-K

> Schwingungsregelsystem LDS LASER USB

> Head Expander und thermische Barrieren

> Triaxialer CCLD Beschleunigungsaufnehmer mit TEDS Typ 4535-B

Kunden fordern Qualität und Zuverlässigkeit. Deshalb führen Automobilhersteller weltweit umfassende Prüfungen in Bezug auf lästige Geräusche (Brummen, Quietschen und Klappern) durch. BSR-Tests (Buzz, Squeak und Rattle) sorgen für höheren Fahrkomfort mit Fahrzeugkomponenten und -innenbereichen, die robust sind und keine Störgeräusche entwickeln. Es werden Komponenten und Baugruppen wie Armaturenbrett, Seitenspiegel und Fahrzeuginnenräume geprüft. OEMs und wichtige Zulieferer streben häufig danach, so große Baugruppen wie möglich zu testen, bis zu Strukturen von Halb- und Viertelfahrzeugmodellen.

Systemvorschlag

Je nach der zu prüfenden Nutzlast besteht ein typisches System für BSR-Tests aus einem Schwingerreger V780 mit kundenspezifischen Aufspannvorrichtungen, z.B. für die Montage des Armaturenbretts. Für gründliche Untersuchungen, Validierung und Verbesserungen der Squeak-und-Rattle-Eigenschaften müssen neben dem Schwingerregersystem zusätzlich array-basierte Lärmquellenidentifizierung und Sound-Engineering-Techniken eingesetzt werden.

> LDS V780 - Schwingerreger niedriger Kraft

> Leistungsverstärker 5 kVA LDS HPA-K

> Schwingungsregelsystem LDS LASER USB

> Akustische Arrays

> Triaxialer CCLD Beschleunigungsaufnehmer mit TEDS Typ 4535-B

> Sphärisches Beamforming Typ 8606

Mit Qualifizierungs- und Abnahmeprüfungen (Q&A) wird sichergestellt, dass Ausrüstungen die für eine bestimmte Mission erforderlichen Leistungserwartungen erfüllen – von der Montage und dem Transport bis zum Start und Betrieb.

Satellite-on-shaker-Image-courtesy-of-INPE

Da für Missionen mit Satelliten und Trägerraketen sehr verschiedenartige Parameter in Frage kommen, können Prüfparameter und Konfigurationen sich wesentlich unterscheiden. Beispielsweise unterscheiden sich bei mechanischen Q&A Prüfungen von Satelliten die standardmäßigen Qualifizierungsverfahren (QTP) in der Regel von den standardmäßigen Zulassungsverfahren (ATP). Das QTP ist umfassender und wird auf höherem Niveau an technischen Modellen ausgeführt, um mechanische Designs zu qualifizieren. In der Regel gehören dazu Umweltprüfverfahren wie Vibrationen, Schocken und akustische Ermüdung, wobei die Nutzlasten entweder bis zur Zerstörung getestet oder zerstörungsfreien Prüfungen unterzogen werden, um ihre Leistung zu beurteilen. Demgegenüber ist das ATP eine Produktionsprüfung, die am tatsächlichen Flugmodell durchgeführt wird, um nachzuweisen, dass die Struktur den Leistungsspezifikationen entspricht.

Qualifizierungsprüfungen umfassen:

  • Schwingprüfung mit stochastischen und Gleitsinus-Signalen, wobei der Satellit auf einem großen LDS Schwingerreger (z.B. V994) vibriert, um strukturelle Schwachstellen zu lokalisieren und sicherzustellen, dass keine wesentlichen strukturdynamischen Änderungen erfolgt sind
  • Schockprüfung, um (Pyro-) Schocks zu simulieren und zu analysieren, die beispielsweise beim Ausfahren und Entfalten von Solarmodulen auftreten können

Der LASERUSB Regler unterstützt standardisierte Prüfungen, unter anderem nach MIL-STD-810 und DEF STAN 00-35.

LDS V994 - Schwingerreger großer Kraft

Schaltleistungsverstärker 70 - 280 kVA LDS DPA-K

> Schwingungsregler

Triaxialer CCLD Beschleunigungsaufnehmer mit TEDS Typ 4535-B

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