Home › Applikationen › Archiv für Forschung und Entwicklung

Forschung und Entwicklung

Abgasrohr

Exhaust1Die Inge­nieu­re der Fir­ma Cumm­ins ent­wi­ckeln und tes­ten ihre Moto­ren, um reel­len Bedin­gun­gen der Indus­trie stand­zu­hal­ten, die von mili­tä­ri­sche Ein­sät­zen bis zu gro­ßen Indus­trie­an­la­gen rei­chen. Sie wol­len genaus­tens erfah­ren, wie sich ihre Bau­tei­le unter der Kom­bi­na­ti­on von ther­mi­scher und mecha­ni­scher Belas­tung ver­for­men. Das bedeu­tet, sie müs­sen ihre Tests mit lau­fen­den hei­ßen Moto­ren durchführen.

Auf­grund der kom­ple­xen Span­nungs­fel­der, die unter die­sen Bedin­gun­gen erzeugt wer­den, kön­nen her­kömm­li­che Deh­nungs­mess­strei­fen Cumm­ins Anfor­de­run­gen nicht genü­gen. FEM Simu­la­tio­nen  sind durch die unsi­che­ren Rand­be­din­gun­gen eben­falls nur begrenzt mög­lich. Mit dem Vic-3D Sys­tem sind Cumm­ins Inge­nieu­re in der Lage detail­lier­te 3‑dimensionale Deh­nungs­mes­sun­gen durch­zu­füh­ren. Die­se Mes­sun­gen wer­den unter reel­len Belas­tungs­be­din­gun­gen vor­ge­nom­men, wäh­rend der Motor läuft. Dar­über hin­aus ist der Auf­bau des Vic-3D Sys­tems ein­fach, mit dem Sys­tem kön­nen sowohl klei­ne Objek­te als auch gro­ße Bau­grup­pen ver­mes­sen werden.

 .….….….….….….….….….….….….….….….….….….….….….…..

exhaust2

Paul Gloeck­ner, lei­ten­der Ent­wick­lungs­in­ge­nieur von Cumm­ins, beschreibt die Nütz­lich­keit des Vic-3D Sys­tems wie folgt: “Die­ses Mess­ge­rät erlaubt es uns Unter­su­chun­gen vor­zu­neh­men, die bis­her nicht mög­lich waren. Zusätz­lich konn­ten die Mess­zei­ten der Tests redu­ziert werden.”

 

Dynamische Kompression von Metallen

Dynamic compressionUnter­su­chun­gen des Ver­hal­tens von Metal­len wäh­rend eines dyna­mi­schen Hoch­ge­schwin­dig­keit-Kom­pres­si­ons­er­eig­nis­ses ist seit jeher auf­grund von kom­ple­xen Ver­suchs­auf­bau­ten und hohen Daten­er­fas­sungs­ra­ten eine gro­ße Her­aus­for­de­rung. Der­zeit steht nur wenig Lite­ra­tur über das Ver­for­mungs­ver­hal­ten bei Deh­nungs­ra­ten von 10 bis 500s-1 zur Ver­fü­gung. Mit einem Vic-3D HS Sys­tem und Hoch­ge­schwin­dig­keits­ka­me­ras kön­nen Ober­flä­chen­ver­schie­bun­gen und Deh­nun­gen voll­flä­chig in drei Dimen­sio­nen mit einer hohen Genau­ig­keit quan­ti­fi­ziert wer­den. Die Bild­kor­re­la­ti­on hat in den letz­ten Jah­ren in sol­chen Hoch­ge­schwin­dig­keits­an­wen­dun­gen auf­grund sei­ner hohen Genau­ig­keit, Fle­xi­bi­li­tät und Benut­zer­freund­lich­keit gro­ße Popu­la­ri­tät gewonnen.

 

Dynamic compression2

In die­sem Bei­spiel wur­de eine zylin­dri­sche Pro­be mit einem Durch­mes­ser von 6mm kom­pre­miert. Die Deh­nungs­ra­te betrug 50s-1 . Ein Vic-3D HS Sys­tem erfasst die Ober­flä­chen­ver­schie­bun­gen und Deh­nun­gen wäh­rend des Ver­su­ches. Auf der Pro­be wird ein zufäl­li­ges Speck­le­mus­ter auf­ge­tra­gen. Die­ses ermög­licht der Ana­ly­se­soft­ware ein­fach und sub­pi­xel­ge­nau die Ver­for­mung zu ver­fol­gen. Obwohl die Hoch­ge­schwin­dig­keits­ka­me­ras in der Lage sind, wesent­lich höhe­re Erfas­sungs­ra­ten zu errei­chen, wur­de für die­sen Test eine geeig­ne­te Bild­ra­te von 14,400fps ver­wen­det. Hier­mit erreicht man eine maxi­mier­te räum­li­che Auf­lö­sung und erhält eine aus­rei­chen­de Anzahl von Bil­dern. Die Kame­ras wur­den bei einer Auf­lö­sung von 1024 x 400 Pixel getrig­gert. Im Anschluss an die Mes­sung wer­den die Bil­der auf die Fest­plat­te des Com­pu­ters über­tra­gen und mit der Vic-3D Ana­ly­se­soft­ware nachbearbeitet.

 

Bil­der mit freund­li­cher Geneh­mi­gung von Amos Gilat & Jere­my Seidt an der Ohio Sta­te University.

Kontraktion eines Muskels

Bio­me­cha­ni­sche Wis­sen­schaft­ler unter­such­ten die Kon­trak­ti­on des vor­de­ren Schien­bein­mus­kels einer Rat­te. Wün­schens­wert war es, schnell und genau die Gesamt­be­we­gung des Mus­kels sowie loka­le Varia­tio­nen zu quantifizieren.

Herausforderungen

Weil die Expe­ri­men­te an leben­den Gewe­be durch­ge­führt wer­den soll­ten, war es schwie­rig her­kömm­li­che Deh­nungs­mes­strei­fen anzu­brin­gen. Außer­dem neig­ten die Deh­nungs­mess­strei­fen dazu, die Bewe­gungs­mes­sung zu stö­ren. Es war wich­tig, mög­lichst vie­le Daten­punk­te so schnell wie mög­lich zu erfas­sen. Mar­ker-Ver­fol­gun­gen wur­de durch­ge­führt, erga­ben aber nur gro­be Durch­schnitts­wer­te bei gro­ßem Zeitaufwand.

Lösung

Mit dem Vic-3D Sys­tem ist es mög­lich, die Kon­trak­ti­ons­da­ten über die kom­plet­te Mus­kel­ober­flä­che zu erfas­sen. Die hohe Geschwin­dig­keit und ein­fa­che Bedie­nung des Sys­tems lie­ßen es zu, zahl­rei­che Mes­sun­gen mit defi­nier­ten Zeit­in­ter­val­len durch­zu­füh­ren. Es kam zu kei­ner Inter­ak­ti­on mit dem Prüf­ling und durch die groß­flä­chi­ge Mes­sung war es nicht not­wen­dig sich auf einen inter­es­san­ten Bereich zu beschränken.

Die Mess­ergeb­nis­se boten eine hohe räum­li­che Auf­lö­sung und es konn­ten zahl­rei­che Gebie­te ermit­telt wer­den, in denen Bün­del des Mus­kel­ge­we­bes signi­fi­kan­te Abwei­chun­gen in der Mus­kel­kon­trak­ti­on auf­wie­sen. Die­se Gebie­te konn­ten bis­her mit kon­ven­tio­nel­len Metho­den nicht iden­ti­fi­ziert wer­den. Bei den Mes­sun­gen wur­den alle Kal­ku­la­tio­nen auto­ma­tisch durch­ge­führt, was deut­lich Zeit ein­spart und die Mög­lich­keit mensch­li­cher Feh­ler verhindert.

Schwingungsmessung an einer Bremsscheibe

Bremsen1 Bremsen2
 x
Auto­mo­bi­le unter­lie­gen im Betrieb vie­len ver­schie­de­nen Kräf­ten. Vibra­tio­nen vom Motor oder der Stra­ßen­ober­flä­che wer­den über den Fahr­zeug­rah­men über­tra­gen. Das Brems­sys­tem, eines der wich­tigs­ten mecha­ni­schen Kom­po­nen­ten des Fahr­zeu­ges, ist die­sen Belas­tun­gen ausgesetzt.

Bremsen3

In die­sem Bei­spiel wur­de die Brems­schei­be eines Schwer­last-LKWs  mit Hil­fe eines klei­nen Ham­mers ange­regt, um deren Schwin­gungs­for­men zu mes­sen. Die drei­di­men­sio­na­len Betriebs­schwin­gungs­for­men kön­nen mit dem Vic-3D HS Vibra­ti­ons­ana­ly­se­sys­tem leicht iden­ti­fi­ziert und ver­mes­sen wer­den. Ampli­tu­den im Bereich von 40 Nano­me­ter kön­nen bei einer Fre­quenz von unge­fähr 2.000Hz ana­ly­siert werden.

Dehnungsmessung eines Zahnrades

Herausforderung

Die ver­bau­ten Kom­po­nen­ten (im obe­ren Kurz­film dar­ge­stellt) haben typi­scher Wei­se kom­ple­xe Wech­sel­wir­kun­gen unter­ein­an­der. Auf­grund der Bewe­gung der Tei­le kön­nen die Kon­takt­stel­len wäh­rend eines Betriebs­zy­klus­ses vari­ie­ren. Dies bedeu­tet, dass es schwie­rig ist, die Posi­ti­on der oft­mals nicht sta­tio­nä­ren Deh­nungs­peaks vor­her­zu­sa­gen. Die Bewe­gung der Bau­tei­le führt teil­wei­se zu einer Beschä­di­gung der elek­tri­schen Ver­bin­dung der Deh­nungs­mess­strei­fen. Selbst wenn die Posi­tio­nen sta­tio­när und leicht zu loka­li­sie­ren sind, kön­nen sich die höchs­ten Deh­nun­gen auf sehr klei­ne Berei­che kon­zen­trie­ren oder hohe Gra­di­en­ten besit­zen. Spit­zen­wer­te gehen auf­grund des Mit­te­lungs­ef­fek­tes der Deh­nungs­mess­strei­fen gege­be­nen­falls verloren.

Ergebnis

Vic-3D ermög­licht eine Deh­nungs­mes­sung über das gesam­te Pro­fil des Getrie­be­zah­nes. Weil das Pro­gramm eine Voll­feld­mes­sung anbie­tet, war es nicht not­wen­dig sich auf einen bestimm­ten Punkt zu beschrän­ken. Des­halb konn­ten die Deh­nungs­peaks ein­deu­tig visua­li­siert wer­den und exakt in ver­schie­de­nen Pha­sen des Betriebs­zy­klus gemes­sen wer­den. Wei­ter­hin misst Vic-3D Ver­schie­bun­gen in drei Dimen­sio­nen. Die­se Funk­ti­on erlaubt unse­ren Kun­den Ver­dre­hun­gen der Getrie­be­zäh­ne unter Belas­tung zu erken­nen und zu quantifizieren.

 

Dehnungsmessung mit Stereomikrokop

Kom­bi­na­ti­on eines spe­zi­el­len Ste­reo­mi­kro­skops mit der digi­ta­len Vic-3D Bild­kor­re­la­ti­on zur Unter­su­chung von elek­tro­ni­schen Komponenten.

Uni Wien Mikroskop

Bild 1 – Messaufbau

Das Ste­reo­mi­kro­skop wur­de auf einem x‑y-z Mikro­tisch mon­tiert (sie­he hin­te­rer Teil im Bild 1). Die Pro­be befin­det sich in einer Zug­ma­schi­ne (rechts im Bild 1 zu sehen).

 

Durch­ge­trenn­ter Kera­mik-Kon­den­sat­or­chip unter Bie­ge­be­las­tung (Bild­brei­te ca. 4mm):

Uni Wien Mikroskop2

Bild 2 – Deh­nung in x‑Richtung

Uni Wien Mikroskop3

Bild 3 – Deh­nung in y‑Richtung

Uni Wien Mikroskop4

Bild 4 – Stan­dard­ab­wei­chung unter Belastung

Uni Wien Mikroskop5

Bild 5 – 3D Kontur

Die Stan­dard­ab­wei­chung unter Belas­tung (Bild 4) weist im mitt­le­ren Bereich einen erhöh­ten Wert im Ver­gleich zum Refe­renz­zu­stand auf, ver­ur­sacht durch eine klei­ne, loka­le Aus­buch­tung zwi­schen dem Chip und dem Board (sie­he 3D Kon­tur unten). Der Grund hier­für kann Mate­ri­al sein, das zwi­schen den bei­den Tei­len zusam­men­ge­presst wird (ein­ge­schlos­sen der Farb­schicht). Der erhöh­te Wert im obe­ren Bereich der Stan­dard­ab­wei­chung wird durch eine gerin­ge Speck­le­dich­te hervorgerufen.

Verformungsmessung

Aerospace Anwendungsbeispiel

aerospace_1_notitle-300x247

Air­bus bau­te sich für sei­ne inno­va­ti­ven Flug­zeu­ge, die auf der gan­zen Welt für ihre Sicher­heit und Effi­zi­enz aner­kannt sind, in den letz­ten Jah­ren einen guten Ruf auf. Die­se Qua­li­täts­merk­ma­le wer­den durch ein erst­klas­si­ges Test­pro­gramm aus­ge­zeich­net, des­sen Inno­va­ti­vi­tät auch die Nut­zung eines Vic-3D Mess­sys­tems beweist.

Eines der Zie­le des Air­bus Test­pro­gram­mes ist die Cha­rak­te­ri­sie­rung der struk­tu­rel­len Beschä­di­gun­gen, ver­ur­sacht durch die Kol­li­si­on des Flug­zeu­ges mit klei­nen Pro­jek­ti­len, wie z.B. Vögeln oder ande­ren Ver­un­rei­ni­gun­gen. Wich­tig dabei ist es sicher­zu­stel­len, dass die struk­tu­rel­le Inte­gri­tät des Flug­zeu­ges erhal­ten bleibt. Die­se Art von Ereig­nis­sen kön­nen repro­du­ziert wer­den, indem eine Aus­wahl von ver­schie­de­nen Pro­jek­ti­len auf ein Teil­stück des Flug­zeu­ges mit hoher Geschwin­dig­keit geschos­sen wer­den. Mit den erhal­te­nen Mess­ergeb­nis­sen wer­den die Com­pu­ter­mo­del­le mit der Struk­tur ver­gli­chen und gege­be­nen­falls opti­miert, was hoch­op­ti­mier­te, siche­re Designs zur Fol­ge hat.

aerospace_2_notitle-300x224Dr. Richard Bur­gue­te, expe­ri­men­tel­ler Mecha­nik­spe­zia­list von Air­bus UK seit 1997, erklärt die Vor­tei­le die­ser Vor­ge­hens­wei­se wie folgt: “Das Vic-3D Sys­tem gibt uns die Sicher­heit zu wis­sen, dass wir alle rele­van­ten Daten erfasst haben. Eini­ge von ihnen wären ander­wei­tig uner­reich­bar gewesen.”