07. Februar 2024 | Eine neue Sensortechnik, entwickelt am Fraunhofer LBF, nutzt die Eigenschaften von Metallkissen für die Erfassung von Schwingungen und Belastungen. Die robuste und kosteneffiziente Lösung lässt sich nahtlos in bestehende Systeme integrieren und öffnet neue Anwendungsmöglichkeiten in der Fahrzeug- und Maschinenbauindustrie sowie in der Mess- und Prüftechnik.
Metallkissen sind aufgrund ihrer chemischen und thermischen Beständigkeit eine robuste Alternative zu Elastomerbauteilen. Die elastischen und dämpfenden Eigenschaften dieser Drahtgeflechte resultieren aus den Interaktionen zwischen den Drahtsegmenten bei Verformung. Am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben Wissenschaftler diesen Effekt erfolgreich in ein neues Sensorkonzept umgesetzt.
Die Sensorik lässt sich kosteneffizient und ohne zusätzlichen Platzbedarf in vorhandene Systeme integrieren und ermöglicht die direkte Erfassung von Schwingungen und Belastungen. Damit können Prozess- und Lagerzustände überwacht sowie dynamische Lagerkräfte präzise gemessen werden. Potenzielle Anwendungen sind in der Fahrzeug- und Maschinenbauindustrie sowie in der Mess- und Prüftechnik.
Intelligente Lagerungen durch Metallkissen mit integrierter Sensorfunktion
Sensoren für nahtlose Funktionsintegration
Im Gegensatz zu den makromolekularen Wechselwirkungen, die die mechanischen Eigenschaften von Elastomeren bestimmen, entsteht die Elastizität und Dämpfung von Metallkissen durch die gegenseitige Abstützung und Reibung der verflochtenen Drahtsegmente. Neben ihrer elastomerähnlichen Flexibilität zeichnen sich Metallkissen durch ihre Resistenz gegen aggressive Chemikalien, extreme Temperaturen und Alterungseffekte aus. Daher sind sie für anspruchsvolle Anwendungen in der Schwingungstechnik prädestiniert.
Eine bislang unterbewertete Eigenschaft der Metallkissen ist ihre veränderliche elektrische Leitfähigkeit. Diese variiert je nach Deformationsgrad und gibt so Aufschluss über Verformungen und die darin wirkenden Kräfte. Auf dieser Grundlage hat ein interdisziplinäres Team am Fraunhofer LBF ein innovatives Sensorkonzept entwickelt, das Metallkissen nicht nur als strukturelle Elemente, sondern auch für die Analyse von Schwingungen und die Bestimmung von Lagerkräften nutzt.
Die erfolgreich erwirkte Patentierung unterstreicht die Innovationskraft dieses Funktionsansatzes.
Mechanisches und elektrisches Hystereseverhalten
Intelligentes Metallkissen detektiert Schäden
Die prototypische Umsetzung wurde von statischen und dynamischen Charakterisierungen verschiedener Metallkissen begleitet. Dank der großen Erfahrung in der Sensorentwicklung und experimentellen Analyse von Lagerkomponenten und mithilfe umfangreicher Messtechnik konnten die Forscher den sensorischen Effekt systematisch untersuchen und optimieren.
Eine einfache Auswerteelektronik reicht aus, um Schwingungen mit Frequenzen bis 50 Hz akkurat aufzulösen. Ebenso lässt sich die mit der stark progressiven mechanischen Hysterese verwandte nichtlineare Sensorkennline in sehr guter Korrelation mathematisch beschreiben, wobei sowohl Weg als auch Kraft als Messgrößen dargestellt werden können.
Die Anwendungsmöglichkeiten des Sensorkonzepts erstrecken sich über verschiedene Branchen mit Bezug zur Schwingungstechnik. Ein Vorteil besteht darin, dass bestehende Systeme auf Metallkissenbasis kostengünstig und bauraumneutral mit der Sensortechnologie ergänzt werden können, was zu einer effizienten Nutzung vorhandener Ressourcen und einfach umzusetzenden Digitalisierung führt.
Die Funktionsintegration erlaubt dem hohen Bedarf an strukturdynamischen Daten, die wertvolle Aussagen über Maschinenzustände und Prozesse ermöglichen, mit praktischen Mitteln gerecht zu werden. Weiterhin erkennt die präzise Messung von Lasten und die Detektion von Misuse-Situationen potenzielle Schäden ganzer Systeme als auch des Metallkissens selbst frühzeitig und hilft, diese zu vermeiden.