Die Elastizität und Dämpfung von Metallkissen beruht auf den Wechselwirkungen einzelner Drahtsegmente während der Verformung – ein Mechanismus, der sich auch in veränderten elektrischen Eigenschaften widerspiegelt. Am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und ‧Systemzuverlässigkeit LBF haben sich Wissenschaftler diesen Effekt zunutze gemacht: Die neue Sensorik kann kostengünstig und bauraumneutral in bestehende Systeme integriert werden, berichten die Darmstädter. Die integrierte Sensorikfunktion erfasst unmittelbar Schwingungen und Lasten.
Der Effekt: Mit einfachen Mitteln lassen sich Prozesse und Lagerzustände überwachen und dynamische Lagerkräfte quantifizieren. Anwendungen im Fahrzeug- und Maschinenbau ebenso wie in der Mess- und Prüftechnik sind denkbar.
Das Plus von Metallkissen: hohe Beständigkeit
Auch wenn Metallkissen vergleichbare Eigenschaften wie Elastomerkomponenten aufweisen, unterscheiden sie sich doch grundsätzlich. Bei Elastomeren sind makromolekulare Wechselwirkungen prägend für die mechanischen Eigenschaften. Bei ineinander verflochtenen Drahtsegmenten sind es die Abstützung und Reibung, die Elastizität und Dämpfungseigenschaften bewirken. Drahtdurchmesser, Material und Webdichte beeinflussen die Formteile entsprechend den spezifischen Anforderungen.
Neben dem elastomerähnlichen Verhalten zeichnen sich Metallkissen durch ihre exzellente Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien, extremen Temperaturen und Alterungseffekten aus. Aus diesem Grund haben sie sich in chemisch und thermisch anspruchsvollen Anwendungen der Schwingungstechnik etabliert und eröffnen neue Perspektiven, wo konventionelle Elastomerkomponenten an ihre Grenzen stoßen.
Die Chance: Maßgeschneiderte Sensorik integrieren
Die elektrische Leitfähigkeit von Metallkissen ist eine bisher weniger beachtete Eigenschaft. Diese variiert mit dem Deformationszustand, der die Anzahl und Pressung der Kontaktflächen im Inneren des Drahtgeflechts beeinflusst. Die Messung der Leitfähigkeit (oder des elektrischen Widerstands) erlaubt einen Rückschluss auf die Verformung des Lagerelements und die darin herrschenden Kräfte.
Auf Basis dieser Idee hat ein disziplinübergreifendes Team am Fraunhofer LBF ein Sensorkonzept entwickelt, bei dem Metallkissen neben ihrer traditionellen Rolle als strukturelle Elemente auch eine Schwingungsanalyse und das Feststellen von statischen und dynamischen Lagerkräften ermöglichen. Die erfolgreich erwirkte Patentierung unterstreicht die Besonderheit dieses innovativen Konzepts zur Funktionsintegration.
Intelligentes Metallkissen detektiert Schäden
Die prototypische Umsetzung wurde von statischen und dynamischen Charakterisierungen verschiedener Metallkissen begleitet. Dank ihrer Erfahrung in der Sensorentwicklung und experimentellen Analyse von Lagerkomponenten konnten die Darmstädter Forscher den sensorischen Effekt systematisch untersuchen und optimieren. Ihren Angaben zufolge reicht eine einfache Auswerteelektronik aus, um Schwingungen mit Frequenzen bis 50 Hz akkurat aufzulösen.
Ebenso lässt sich die mit der stark progressiven mechanischen Hysterese verwandte, nicht-lineare Sensorkennline in sehr guter Korrelation mathematisch beschreiben, teilen die Wissenschaftler mit: Sowohl Weg als auch Kraft lassen sich als Messgrößen darstellen.
Fehlerhafte Betriebszustände können abgefangen werden
Die Anwendungsmöglichkeiten des Sensorkonzepts erstrecken sich über verschiedene Branchen mit Bezug zur Schwingungstechnik. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass bestehende Systeme auf Metallkissen-Basis kostengünstig und bauraumneutral mit der Sensortechnologie ergänzt werden können. Das führt zu einer effizienten Nutzung vorhandener Ressourcen und einer einfach umzusetzenden Digitalisierung.
Die Funktionsintegration erlaubt es, dem hohen Bedarf an strukturdynamischen Daten mit praktischen Mitteln gerecht zu werden und so wertvolle Aussagen über Maschinenzustände und Prozesse zu erhalten. Weiterhin führt das präzise Detektieren von Lasten und Misuse-Situationen zum frühen Erkennen potenzieller Schäden von ganzen Systemen wie auch des Metallkissens selbst. So lassen sich diese durch rechtzeitiges Eingreifen vermeiden, wird beim LBF betont. (os)
Fraunhofer LBF: Intelligente Lagerungen mit Sensorik
