MESSEN/PRÜFEN/QS

Die koreanische Luft- und Raumfahrtagentur vertraut für das Force Limited Vibration Testing (FLVT) von Satelliten auf Messtechnik von Kistler: 24 kreisförmig angeordnete und mit LabAmp-Ladungsverstärkern und Datenerfassungseinheiten verbundene Kraftsensoren ermöglichen eine integrierte Beschleunigungsregelung, mit der Schäden durch übermässiges Testen verhindert werden können.

Südkorea ist erst vor relativ kurzer Zeit in den Kreis der Raumfahrtnationen vorgestossen. Den Grundstein hierfür legte das Land im Jahr 1989 mit der Gründung des Korea Aerospace Research Institute (KARI). Es befindet sich in Daejeon im Zentrum Südkoreas und gehört zum Wissenschafts- und Forschungscluster Daedeok Innopolis mit über 20000 Forschern. In den 1990ern entwickelten die Spezialisten von Kari ihre ersten Raketen für Raumfahrzeuge. Heute liegt der Schwerpunkt der Raumfahrtagentur auf der Entwicklung intelligenter unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs), Satellitenprogrammen und – in Zusammenarbeit mit der NASA – der Erforschung des Mondes. Im Rahmen eines im Juni 2018 gestarteten Projekts setzten die Ingenieure von Kari sich zum Ziel, eine Infrastruktur zu implementieren, mit der Vibrationstests für grosse Nutzlasten flexibel durchgeführt werden können. Der sogenannte Force Limited Vibration Test (FLVT) ist ein bewährtes Verfahren, um die mechanischen Belastungen aufgrund von Vibrationen während der Start- und Flugphase zu simulieren. Hierbei wird der Prüfling auf einen Vibrationstisch gesetzt, mit dem Massen auf definierte und geregelte Weise angeregt werden können. Um eine schwere Beschädigung oder sogar die Zerstörung des Prüflings durch übermässiges Testen zu vermeiden, werden die Beschleunigungswerte häufig mithilfe zusätzlicher Kraftsensoren geregelt. «Diese Methode hat sich als empfindlicher, zuverlässiger und praktischer erwiesen als die alleinige Überwachung der Beschleunigung», erklärt Sung-Hyun Woo, Direktor und leitender Wissenschaftler in der Abteilung für Weltraumumgebungstests bei KARI. «Unser Ziel war es, eine Regelung zu entwickeln,

Die Entwicklungsingenieure Sung-Hyun Woo, Ph.D., und Jong-Min Im vom Korea Aerospace Research Institute (Kari) arbeiten zusammen mit Seong-Oh Lee von Kistler an der Messkette für Satelliten-Vibrationstests (v.l.).

die die Anregung automatisch, abhängig von der Rückmeldung der Kraftsensoren, verringert.» Diese Reduzierung des Beschleunigungspegels in engen Frequenzbändern nennt man «Notching» – sie wird üblicherweise in Frequenzbändern angewendet, in denen ein Prüfling Resonanzen aufweist.

Um ihr angestrebtes Ziel zu erreichen, entschieden sich die Ingenieure von Kari dafür, 24 3-Komponenten-Kraftaufnehmer 9377C von Kistler zu integrieren. Diese piezoelektrischen Messzellen messen Kraftkomponenten bis zu 150 kN in drei Achsen (Fx, Fy, Fz) mit hoher Präzision. «Wir haben uns für die vorgespannten 3-Komponenten-Kraftsensoren von Kistler entschieden, weil sie leicht zu implementieren sind und nach der Montage keine Kalibrierung benötigen», erklärt Jong-Min Im, leitender Wissenschaftler bei KARI und Gruppenleiter bei diesem Projekt. Mit Blick auf die Montage auf dem Gleittisch (3,25 × 3,25 m) und die Sicherstellung korrekter Messungen werden die 24 Messdosen kreisförmig angeordnet und über eine ringförmige Grundplatte mit dem Vibrationstisch und eine ringförmige Deckplatte mit dem Prüfling verbunden. «Als wir in die Schweiz kamen, teilten die Ingenieure von Kistler ihre bei ähnlichen Projekten erworbenen Erfahrungen mit uns und zeigten uns, wie wir die Ringstruktur am besten gestalten – das war natürlich sehr hilfreich», fährt Im fort. «Aufgrund des Ab stands zwischen den 24 Kraftsensoren müssen der obere und der untere Ring mit einem Durchmesser von 2,3 m perfekt ausgerichtet sein, um maximale Genauigkeit zu erreichen.»

Die24 3-Komponenten-Kraftaufnehmer sind kreisförmig angeordnet und mit Ladungsverstärkern LabAmp 5165A (im Rack) verbunden, um eine automatische Regelung des Vibrationstisches zu ermöglichen.

Für eine effiziente Datenerfassung und -übertragung integrierten die Ingenieure von Kari ausserdem 20 Ladungsverstärker LabAmp 5165A von Kistler. 18 jeweils mit vier Kanälen ausgestattete Systeme verar beiten die Sensorsignale der Messdosen. Mit den zwei verbleibenden Einheiten lassen sich bei Bedarf flexibel Beschleunigungsmessungen durchführen. «Mithilfe dieser hochwertigen, rauscharmen LaborDatenerfassungslösungen war es einfach, die Daten der Kraftaufnehmer zu verarbeiten», sagt Im. «Dieser Teil der Messkette stand also relativ schnell, die eigentlichen Schwierigkeiten begannen erst danach. Bei 72 gleichzeitig zu verarbeitenden Kanälen muss die Berechnungszeit für die resultierenden Momente stets im Blick bleiben. Es war schwierig, das gesamte Hardware- und Software-Setup so zu konfigurieren, dass die Signalverzögerung minimiert wird. Je grösser die Signalverzögerung ist, desto grösser ist nämlich die Gefahr, dass die Anregung zu spät reduziert wird.»

Doch am Ende waren die Entwickler von Kari erfolgreich: Sie implementierten ein Field Programmable Gate Array (FPGA), das Berechnungen gleichzeitig und unabhängig von der Zahl der Operationen durchführen kann. Im bemerkt hierzu: «Die resultierende Dauer der vollständi gen Kraft-Momenten-Berechnung beträgt nur mehr 0,12 ms in drei Schleifen von

Der Kraftsensor 9377C von Kistler ist ein piezoelektrischer, vorkalibrierter 3-Komponenten-Kraftaufnehmer für Kräfte von bis zu 150 kN. TT-188_render_1-2 tool-temp.ch

0,04 ms. Es gab viele Parameter und Variablen zu beachten, bis die Schnittstelle zwischen Kraftmessung und Beschleunigungsregelung entwickelt war. Aber schliesslich haben wir es doch geschafft!» Als Nächstes wurde ein Vergleichstest mit der neuen Regelung durchgeführt. «Wir wollten prüfen, ob unser System wirklich besser ist als ein manuelles Verfahren. Deshalb führten wir einen Querschwin gungstest mit unserer Vorrichtung durch, wobei hohe Momente auf die Grundfläche der Satelliten-Attrappe wirken», so Im weiter. Der Test zeigte eindeutig, dass das System gut funktionierte: Dank des automatischen Notchings wurden die Beschleunigungswerte im Resonanzfrequenzbereich von 0,15 auf 0,03 g reduziert, so dass der Grenzwert von 60 kNm nicht überschritten wurde. Beim manuellen Verfahren hingegen kam es mit TT-DW160_9kW_render_1-2 Werten von bis zu 71 kNm zu deutlichem «Overtesting». Die Ingenieure von KARI nahmen anschliessend FLV-Tests mit integriertem automatischen Notching und Momenten bis zu 300 kNm vor. Die Ergebnisse waren überzeugend, sodass nun der

nächste Schritt vollzogen und das neue System auf echte Satelliten angewendet werden kann.

Kontakt Kistler Instrumente AG Eulachstrasse 22 CH-8408 Winterthur +41 52 224 11 11 info.ch@kistler.com www.kistler.com

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Kleb- und Kunststoffe gewinnen in der heutigen Industrie zusehends an Bedeutung. Die Forderung nach klimafreundlicher Mobilität beispielsweise, führt dazu, dass die Transportmittel immer leichter gebaut werden. Aus diesem Grund setzten die Automobil- und Flugzeugindustrie vermehrt auf verklebte Strukturen, da diese ein hohes Leichtbaupotenzial aufweisen. Ebenso kommen auch vermehrt Multimaterialbauteile aus Metall und Kunststoff zum Einsatz.

Prof. Dr. Pierre Jousset, Stefan Rutzer¹

Solche Bauteile sind im Einsatz oft wech selnden Temperaturen ausgesetzt. Da Metalle und Kleb- beziehungsweise Kunststoffe in den meisten Fällen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, kann es zu unterschiedlichen Verformungen der Bauteile kommen. Ein Beispiel dafür ist der sogenannte BimetallEffekt, welcher zu einer Aufwölbung des Fügeteils führt. Ferner können unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Rissen im Klebstoff oder in den Substraten führen. Dieser Artikel soll zeigen, wie diese Wärmeausdehnungseffekte in der Realität gemessen werden können. Es wird ausserdem eine Methode vorgeschlagen, um diese Effekte im Auslegungsprozess von Polymerbauteilen (Kunststoff, gemischte oder verklebte Konstruktion) vorherzusagen und zu verhindern. Dies sollte zu einem besseren Verständnis des mechanischen Verhaltens von Polymerbauteilen, sowie zu einer sicheren Auslegung beitragen.

Die Änderung der Temperatur eines Körpers führt zu einer Änderung seiner Abmessungen. Dieser Effekt wird Wärmeausdehnung genannt und durch den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten α be

¹ Prof. Dr. Pierre Jousset, Fachbereichsleiter Verbindungstechnik, IWK, Stefan Rutzer, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fachbereich Verbindungstechnik, IWK, an der HSR, Hochschule für Technik Rapperwil

Bilder: HSR

Bild 1: Temperierkammer zur Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten [2]

schrieben. Der Wärmeausdehnungskoeffizient α, auch Wärmedehnzahl genannt, beschreibt die Längenänderung eines Körpers bei 1 K Temperaturerhöhung und besitzt die Einheit 1/K. Die Änderung des Volumens eines Körpers wird durch den kubischen Wärmeausdehnungskoeffizienten β beschrieben. Für isotrope Materialien gilt dabei folgender Zusammenhang:

Mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten kann die Längenänderung, die durch eine Temperaturdifferenz hervorgerufen wird, wie folgt berechnet werden:

wobei Ɩ 0 der Länge bei der Temperatur T 0 entspricht. Analog zur Längenänderung kann auch die Volumenänderung berechnet werden: Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist grundsätzlich keine konstante, sondern eine temperaturabhängige Grösse. Dies gilt insbesondere für Kunststoffe. Aus diesem Grund ist bei der Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten mit nichtlinearen Abhängigkeiten zu rechnen. Daraus resultiert folgende Definition für den Wärmeausdehnungskoeffizienten:

beziehungsweise

Die Nichtlinearität kommt durch die mit steigender Temperatur einsetzende lokale Bewegung kleiner Molekülgruppen (Nebenrelaxation) und der danach einsetzenden kooperativen Bewegung ganzer Molekülgruppen (Hauptrelaxation) zustande. Im Bereich der Glasübergangstemperatur tritt deshalb eine sprunghafte Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.

Aufgrund des hohen Leichtbaupotenzials werden in der Industrie zunehmend Klebstoffverbindungen und hybride Bauteile entwickelt und eingesetzt. Die unter schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Werkstoffe und des Klebstoffs können dabei zu inneren Spannungen und zum Versagen der Bauteile führen. Das mechanische Verhalten dieser Bauteile unter thermischer Belastung kann mittels einer Finite Elemente (FE)-Analyse

Bild 2: Linearerer Wärmeausdehnungskoeffizient in Abhängigkeit der Temperatur von PVC-U [2] und [3]

simuliert werden. Oftmals werden die benötigten Werkstoffparameter der Substrate oder der Klebstoffe von den Herstellern nicht angegeben. Aus diesem Grund wurde am IWK im Rahmen von zwei Studienarbeiten ([1] und [2]) ein Messaufbau entwickelt, welcher es erlaubt, den Wär meausdehnungskoeffizienten von Polymeren in einem Bereich von 0°C bis 110°C zu ermitteln. Der entwickelte Messaufbau (Bild 1) setzt sich aus einer Temperierkammer mit Regler und einem optischen 3D-Messsystem zusammen. In der Temperierkammer kann mithilfe von Peltierelementen ein vorgegebenes Temperaturprofil abgefahren werden. Mithilfe des optischen Messsystems «Aramis GOM» kann das Dehnungsfeld des Prüfkörpers in Abhängigkeit der Temperatur gemessen werden. Daraus kann wiederum der temperaturabhängige Wärmeausdehnungskoeffizient der Probe ermittelt werden. Ergebnisse des Versuchsaufbaus Im Diagramm (Bild 2) ist der ermittelte Wärmeausdehnungskoeffizient einer PVCU-Probe in Abhängigkeit der Temperatur aufgezeichnet. Es ist zu erkennen, dass es – einmal in der Längsrichtung X und einmal in der Querrichtung Y der Probe – einen sprunghaften Anstieg des Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 60 °C bis 90 °C gibt. Dieser Sprung liegt im Bereich der Glasübergangstemperatur vom PVC-U. Wird diese überschritten, setzt eine kooperative Bewegung der ganzen Molekülgruppen ein. Da das geprüfte Material mittels Plattenextrusion hergestellt wurde, kann auch der anisotrope Wärmeausdehnungskoeffizient in der X und in der Y Rich

tung nach dem Überschreiten der Glasübergangstemperatur erklärt werden.

Die mithilfe des Messaufbaus ermittelten Wärmeausdehnungskoeffizienten können für vielfältige FE-Simulationen eingesetzt werden. Mithilfe dieser Simulationen kann beispielweise die Klebeverbindung eines Bauteils in einer frühen Entwicklungsphase ausgelegt werden. In nachfolgendem Beispiel wird ein Stahlmit einem Aluminiumbauteil verklebt. Die Aushärtung des Klebstoffs findet bei 180°C statt. Das Aluminium- und das Stahlbauteil dehnen sich beim Erwärmen aus und der Klebstoff härtet im erwärmten Zustand aus. So entstehen beim Abkühlen, aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, Spannungen in der Verbindung. Diese Spannungen können zu einer Verformung der Fügepartner nach dem Aushärten führen und die Verbindung schwächen oder im Extremfall sogar zu einem Versagen der Verbindung führen. In Bild 3 ist der Modellaufbau und das Si mulationsergebnis einer thermischen Si

mulation zu erkennen. Dabei wird die De

formation beim Abkühlen der Probe von 180°C auf Raumtemperatur analysiert. Der Prüfkörper besteht aus einem Stahlund einem Aluminiumblech, welche im oberen Bereich verklebt sind. Am unteren Ende des Prüfkörpers werden die Bleche fixiert. Es ist zu erkennen, dass sich der Prüfkörper beim Abkühlen, nach dem aushärten des Klebstoffs bei 180°C, am oberen Ende um über 11mm deformiert. In der aktuellen Simulation ist sowohl die Steifigkeit als auch der Wärmeausdehnungskoeffizient der verwendeten Materialien über den gesamten Temperaturbereich konstant. Diese Annahme führt bei den meisten metallischen Werkstoffen in einem Temperaturbereich von 20°C bis 180°C zu keinem grossen Fehler. Soll jedoch das thermomechanische Verhalten von Kunststoffen analysiert werden, kann diese Annahme nicht gemacht werden. Wie im Diagramm (Abb. 2) zu erkennen ist, ändert sich der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kunststoffen im Bereich der Glasübergangstemperatur extrem. Mit der am IWK entwickelten Prüfvorrichtung können die benötigten Daten für die thermomechanische Simulation von Kunststoffen oder Faserverbundwerkstoffen ermittelt werden.

In einer industriellen Anwendung, wie beispielsweise im Automobilbau, wo oftmals

Bild 4: Karosserie aus einer Multi-Material-Kombination [4]

Multimaterialkombinationen eingesetzt werden, muss eine solche Deformation und die daraus resultierenden Spannungen unbedingt verhindert werden. Mithilfe einer thermomechanischen Simulation können solche Fehler schon in einer frühen Entwicklungsphase verhindert und die Konstruktion oder die Werkstoffwahl können angepasst werden.

Quellen [1] Kittelmann Florian, Messung der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Polymeren, Semesterarbeit Frühlingssemester 2019, HSR [2] Neff Silvan, Messung und Simulation der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Polymeren, Herbstsemester 2019, HSR [3] Baur, Brinkmann, Osswald, Rudolph, Schmachtenberg, Saechtling Kunststoff Taschenbuch, 31. Ausgabe, München, Carl Hanser Verlag [4] Rainerhaufe, Karosserie des Volkswagen XL1, ausgestellt in der Gläsernen Manufaktur, Creative-Commons-Lizenz, https://de.wikipedia.org/ wiki/Datei:Karosserie_XL1_Gl%C3 %A4serne_ Manufaktur.JPG

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