Sicherheit aus der Ferne

AUSGABE 01 | 2013
InFocus
Magazin für Optische Messsysteme von Polytec
„Bedingungen, bei denen
jede andere Technologie
versagt“ – Das RSV
im Einsatz am CERN
Seite 5
Neue Werkstoffe
bei Daimler
Seite 14
Marktführer setzt auf
Polytec: Herrmann
Ultraschalltechnik
Seite 18
Remote Sensing
Sicherheit aus der Ferne
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NEWS
Seite 10
www.polytec.de/
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Editorial
Polytec News
Seite 3
Polytec kooperiert mit Gratuiertenschule –
Nachwuchsförderung
Seite 4
Vibrometer für große Reichweiten –
Das Multitalent
Seite 5
Eric Winkler
Dr. Hans-Lothar Pasch
Laser Vibrometer für härteste
Liebe Leserin, lieber Leser,
Bedingungen – Mission possible
Schneller! Höher! Weiter!
Messung von Zugkräften an Tragseilen –
Dieses olympische Motto lässt die Herzen Sportbegeisterter höher schlagen.
Kein Drahtseilakt
Diese Aussage passt aber auch gut zur Messtechnik und den aktuellen Neuent-
Seite 10
Seite 6
wicklungen bei Polytec. Viele von Ihnen sind mit den Vorteilen berührungsloser, optischer Messtechnik bestens vertraut. Da optische Messverfahren das
Gründerzeithäuser in Wien – Erdbeben-
Messobjekt physisch nicht beeinflussen, wird das Ergebnis nicht verfälscht –
sichere Altbauten
ein unschätzbarer Pluspunkt gegenüber konventionellen taktilen Verfahren.
Seite 12
Zudem erreicht der optische Sensor Stellen, die gar nicht oder nur schwer zugänglich sind. Für Mess-Situationen, bei denen das zu überprüfende Objekt
NVH CAE-Test-Korrelation bei faser-
weit entfernt ist, bietet Polytec das RSV Remote Sensing Vibrometer an.
verstärkten Kunststoffelementen –
Lesen Sie in dieser Ausgabe, wie unser neues Messgerät anspruchsvolle
Nahtlose Integration
schwingungstechnische Fragestellungen am Europäischen Zentrum für
Seite 14
Elementarteilchenphysik (CERN) oder bei der Zustandsanalyse an Brücken
in schwindelerregender Höhe beantwortet. Wir schlagen den Themenbogen
Marktführer dank Polytec –
aber noch weiter. Über die Optimierung und Fertigungsüberwachung von
„Das hat immer gut gepasst“
Ultraschallwerkzeugen bis hin zu aktuellen Fragestellungen aus der Auto-
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mobilindustrie zum Thema Leichtbau Werkstoffe – diese InFocus bietet
wieder interessante Einblicke in viele unterschiedliche Anwendungsbereiche.
Und nun wünschen wir Ihnen eine kurzweilige Lektüre!
MAN zählt auf Polytec – „Polytec hat im
Bereich der Lasermesstechnik Kompetenz“
Seite 21
Produktneuheiten
Seite 24
2
Eric Winkler
Dr. Hans-Lothar Pasch
Leiter des Geschäftsbereichs
Optische Messsysteme
Geschäftsführung
Polytec GmbH
News
Singapur
Polytec wächst
Anfang des Jahres eröffnete Polytec seine
Niederlassung Polytec South-East Asia Pte
Ltd. in Singapur. Das Tochterunternehmen
betreut exklusiv die Festplatten-Hersteller
im gesamten südostasiatischen Raum mit
Vertrieb und Anwendungsberatung. Eine
Gesamtfläche von 260 m2 umfasst Veranstaltungs- und Laborräume für Seminare
und Produktpräsentationen und bietet
auch Platz für künftiges Wachstum.
Polytec deckt Nachfrage
Modaltest 2.0
Die neue RoboVib® Structural Test Station
von Polytec führt komplette 3D-Modaltests großer Strukturen, beispielsweise
kompletter Fahrzeuge, extrem schnell
durch. Gegenüber einem klassischen
Modaltest mit Beschleunigungsaufnehmern wird eine Zeitersparnis von bis zu
90 % erreicht, bei gleichzeitig erheblich
gesteigerter räumlicher Auflösung und
Genauigkeit. Das Polytec Applikationsteam
deckt mit dieser neuen Einrichtung die
steigende Nachfrage nach Dienstleistung
in der Modellvalidierung.
Mehr Info: www.robovib.de
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News
Polytec kooperiert mit Gratuiertenschule
Nachwuchsförderung
Spitzenkräfte sind unser Schlüssel zum
Erfolg. Auch Polytec kümmert sich durch
aktive Nachwuchsförderung um die
Gewinnung von Spitzenkräften für die
Herausforderungen von morgen. Diesen
Weg geht Polytec seit 2006 gemeinsam
mit der Karlsruhe School of Optics and
Photonics (KSOP). Die KSOP ist eine der
Exzellenz-Graduiertenschulen des Karlsruher Institut für Technologie (KIT). 100
Masterstudierende und rund 100 aktive
Doktoranden aus 40 Nationen lernen und
forschen interdisziplinär im Bereich Optik
und Photonik. Dank ausgesuchter Stipendienfinanzierung auch durch die Polytec
4
GmbH können herausragende Talente
mit einem ersten Abschluss in Physik,
Maschinenbau, E-Technik, Chemie oder
Biologie für den Standort Deutschland
gewonnen werden. Dabei fördert die
KSOP insbesondere den frühen Kontakt
der Studierenden mit den Partnerunternehmen. Diese Chance nutzt Polytec zur
strategischen Personalentwicklung und
bereitet die geeigneten Kandidaten in
forschungspraktischen Phasen auf die
besonderen Anforderungen in der optischen Branche und bei Polytec im Speziellen vor. Neben dem technologischen
Knowhow, das Studierende maßge-
schneidert an der KSOP erwerben, werden
die Nachwuchskräfte aus dem Ausland in
Workshops für eine Karriere in der deutschen Arbeitswelt qualifiziert.
Waiz Karim, Master-Absolvent der KSOP
war 2011 als Praktikant bei Polytec: „Ich
habe die Möglichkeit erhalten sehr eng
mit dem Software- und Elektronikentwicklungsteam zusammenzuarbeiten. Dies
führte zu einem erfolgreichen interdisziplinären Projekt über Empfangssignale
in einem Fern-Laser-Doppler-Vibrometer.
Bei Polytec zu arbeiten war eine wertvolle
Erfahrung für mich.”
Kontakt · Mehr Info
Weitere Informationen zur Karlsruhe
School of Photonics (KSOP) finden Sie
hier: www.ksop.de/master
Schwingungsmesstechnik
Vibrometer für große Reichweiten
Das Multitalent
Die von Polytec entwickelte Laser-Doppler-Vibrometrie
ist seit Jahrzehnten ein unverzichtbares Werkzeug zur
präzisen Messung von Schwingungen und Auslenkungen
in Forschung und Industrie.
Mit dem RSV-150 Remote Sensing
ng Vibrometer entwickelte Polytec eine neue
eue
Generation von Schwingungsmessgeessgeräten. Im Großen wie im Kleinen eröffnen
sich damit eine Vielzahl neuer Möglichöglichkeiten: von der Zustandsüberwachung
chung
an Brücken und Industrieanlagen
n über
Ultraschallanwendungen bis in die Elementarteilchenforschung.
Durch eine spezielle Lasertechnologie besitzt das RSV-150
eine besonders hohe Reichweite..
Präzise Messungen sind nun sogar
gar über
mehrere hundert Meter Distanz möglich –
und das auf praktisch allen Oberrflächen.
Dank des augensicheren Klasse-2-Lasers
-Lasers ist
das Gerät überall ohne besondere SicherDas RSV-150 misst punktgenau an schwer
heitsvorkehrungen einsetzbar.
zugänglichen Stellen von Brücken, Gebäuden oder Industrieanlagen – aus sicherem Abstand, auch wenn Gefahr durch
Hochspannung, Hitze, Strahlung oder
Explosionsrisiko besteht. Im harten Einsatz zur Beurteilung der Standsicherheit
von Eisenbahnbrücken bei der Deutschen
Bahn (Friebe, U.; Gommola, G. 2013.
„90 Jahre Brückenmesswesen bei der
Eisenbahn in Deutschland.“ Messtechnik im Bauwesen (2013). Ernst & Sohn
Special 2013 (April): 36–40.) hat sich
das RSV-150 ebenso bewährt wie bei
der Beurteilung von Tragseilen beim
Bau der 1,1 km langen Deh Cho Brücke
in Kanada (s. S. 10).
Aber das RSV-150 hat noch weitere
Talente: mit einer speziellen Auswerteelektronik misst es sogar Frequenzen
bis 2 MHz und Geschwindigkeiten bis
24 m/s. So erschließen sich auch Anwendungen in den Bereichen Ultraschall,
Fallturmtests oder Pyroschock. Das europäische Forschungszentrum CERN nutzt
beispielsweise die einmaligen Eigenschaften des RSV-150, um den einwandfreien
Betrieb seines Teilchenbeschleunigers zu
gewährleisten (s. S. 6).
Mehr Info
www.polytec.de/rsv
5
Materialforschung
Laservibrometer für härteste Bedingungen
Mission possible
Die stetige Steigerung der verfügbaren Energien in Teilchenbeschleunigern, wie z. B. dem Large Hadron Collider (LHC) an
der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN),
erfordert eine Weiterentwicklung der Strahlreinigungs- und
Schutzsysteme. Deshalb untersucht das CERN Hochleistungswerk-
© CERN
stoffe durch Beschuss mit hochenergetischen Teilchenstrahlen.
Bild 1: Probenhalter mit sechs unterschiedlichen Materialien.
6
tion, sowie Zylinder mit einem halbmondförmigen Querschnitt für Versuche mit
hoher Intensität, die die Veranschaulichung und fotografische Aufzeichnung
von extremen Oberflächenphänomenen
(Schmelzen, Materialspritzer, Materialabplatzungen usw.) erlauben.
© CERN
Geräteausstattung für die Messung
Was passiert, wenn hoch energetische
Teilchenstrahlen auf Schutzeinrichtungen wie z. B. Kollimatoren treffen? Diese Frage ist für die Konstruktion von
Teilchenbeschleunigern sehr wichtig.
Die Kollisionen bewirken komplexe
dynamische Phänomene wie Phasenübergänge von Materialien, erhebliche
Dichteänderungen, Druckwellenausbreitungen, Explosionen, Abplatzungen von
Materialfragmenten usw. Diese wurden
zunächst mit hochgradig nichtlinearen
numerischen Modellen (sog. Hydrocodes) simuliert. Um experimentelle Daten
für eine umfassende Charakterisierung
wichtiger Werkstoffe zu erhalten, wurden
im Oktober 2012 an der CERN-Anlage
HiRadMat (High Radiation to Materials)
entsprechende Experimente mit Messtechnik von Polytec durchgeführt.
Versuchsanordnung
Die Versuchsanordnung bestand aus
einem Probenhalter für unterschiedliche Materialien, der das Testen von
sechs verschiedenen Materialien (Bild 1)
unter Protonenbestrahlung mit verschiedenen Intensitäten bei einer Energie von
440 GeV ermöglichte. Die Materialproben
und Probenhalter wurden so konstruiert,
dass die zur Erstellung von Werkstoffmodellen benötigten physikalischen Größen
wie z. B. axiale und tangentiale Dehnung,
radiale Geschwindigkeit und Temperatur
in Echtzeit gemessen werden konnten.
Die Daten wurden mit sehr hohen Abtastraten erfasst, damit sie hinreichend
genau an die Stoßwellenprofile angepasst
werden konnten. Das Herausschleudern
von Partikeln durch den Strahlaufprall
wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt. Der Materialprobenhalter
besteht aus einem Vakuumbehälter und
einer Probeneinfassung, bei der 12 Werkstoffprobenebenen in zwei 6er-Reihen
angeordnet sind. Die Probeneinfassung
wurde mit einem Aktuatorsystem mit zwei
Freiheitsgraden genau positioniert. Für
jedes zu testende Material wurden zwei
verschiedene Probenformen gewählt:
Eine zylindrische Geometrie für Versuche
mit mittlerer Intensität zur Messung von
Druckwellen mit einfacher Form für einen
Vergleich mit der numerischen Simula-
Die optischen Geräte (das Laser-DopplerVibrometer RSV-150 und eine Hochgeschwindigkeitskamera) wurden in einem
strahlungsgeschützten Bunker platziert,
40 m vom Probenhalter entfernt. Mit dem
RSV-150 wurde die Radialgeschwindigkeit
der Außenfläche einer zylindrischen Probe
für jede Ebene gemessen. Über ein System
aus Spiegeln (Bild 4) wird der Laserstrahl
des Vibrometers aus dem geschützten
Bunker auf die Probe fokussiert. Um die in
der Simulation des Strahlaufpralls vorausberechnete Resonanz messen zu können,
wurde das RSV-150 auf eine Messbandbreite von 2,5 MHz und einen Geschwindigkeitsmessbereich von 24 m/s erweitert. Die Durchlaufverzögerung der
Signale im RSV-E-150-M-Controller war
ebenfalls ein wichtiges Thema für diese
Messung (die Geschwindigkeit der Teilchenstrahlen liegt nur knapp unterhalb
der Lichtgeschwindigkeit).
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Zum Starten der RSV-150-Messungen
wurde der ankommende Protonenpuls
als Trigger verwendet. Die dann folgende
Schwingungsmessung wurde für eine
Dauer von 13 ms mit einer Abtastrate
von 4 MHz aufgezeichnet. Typische Verläufe der Rohsignale von Dehnung und
radialer Geschwindigkeit sind im nachfolgenden Bild 5 dargestellt. Dieses Ereignis
entspricht dem Aufprall von 4,6 x 1012
Protonen auf den Glidcop®-Proben. Ò
7
Materialforschung
berechnete Druckwellengeschwindigkeit
von etwa 4000 m/s in diesem Material.
Diese Ergebnisse unterstreichen auch
die Hauptvorteile des RSV-150 für diese
schwierige Umgebung: Bei Dehnungsmessstreifen gehen die Signale während
der ersten Mikrosekunden nach dem Aufprall verloren – möglicherweise aufgrund
von kapazitiven Kopplungseffekten und
Der Strahlaufprall auf die Probe ist hier
bei 22 μs (t0) erfolgt. Die große Frequenzbandbreite und der große Dynamikbereich des RSV-150 ermöglichen,
die Druckwellengeschwindigkeit in
der Probe (Zeit zwischen t0 und der
ersten Spitze bei 26 μs) zu messen. Die
experimentell ermittelten Ergebnisse
bestätigen die in der Simulation voraus-
elektromagnetischen Störungen. Die
Daten aus dem RSV-150 zeigen dagegen
nur eine kleine Störung vor dem Aufprall,
die sich möglicherweise aus einer Interferenz zwischen dem RSV-Controller
und dem vor dem strahlengeschützten
Bunker verlaufenden Strahl oder einer
möglichen Bewegung eines dicht an
die Magnete installierten Spiegels erklärt.
Distance of 40 m
Mirror
Mirror
RSV-150 Vibrometer
High Speed Camera
Temperature Probes
(Pt100)
Resistive
Strain Gage
Vacuum Gage
Flash System
618 Wires
GPN
Rad-Hard
SWITCH
Hardware control from the surface (+60 m):
■ Switch positions depending on the materials tested
■ Control/activation of the flash system
■ Positioning of the sample holder
Bild 2: Übersicht Versuchsaufbau.
© CERN
Trigger
266 Wires (40 m) –
Existing Structure
© CERN
NI® Solution
PXle frame
Bild 5: Vergleich zwischen Messergebnis und Simulation: Dehnung
(oben) und Geschwindigkeit (unten).
Autor · Kontakt
Michael Guinchard
[email protected]
Leiter Mechanical Measurement Lab
Bild 3: RSV-150 Laser Doppler Vibrometer im strahlungsgeschützten Bunker (links) und Blick in Richtung des
Versuchsaufbaus aus einer Entfernung von 40 m.
8
© CERN
© CERN
Konstruktionsabteilung, Gruppe
für Mechanik und Werkstoffkunde
Bild 4: Blick auf die Proben über
einen Spiegel und durch eine
Glasscheibe.
CERN – CH 1211 Genf 23
Dieser Artikel basiert auf der Publikation
A. Bertarelli et al., “High Energy Tests of
Advanced Materials for Beam Intercepting Devices at CERN HiRadMat Facility”,
52nd ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams, 17. bis 21. September,
2012 – Beijing, China, http://cds.cern.ch/
record/1552839/files/EuCARDCON-2012-031.pdf
© CERN
Interview mit Michael Guinchard zum Thema
Laser-Doppler-Vibrometrie
Leiter Mechanical Measurement Lab, Konstruktionsabteilung,
Gruppe für Mechanik und Werkstoffkunde, CERN
Herr Guinchard, welchen Beitrag
leistet das Laser-Vibrometer bei
der Suche nach dem Higgs-Teilchen?
Das RSV-150 hat nicht direkt zur Entdeckung neuer Elementarteilchen beigetragen. Jedoch werden die während
dieses Experiments durchgeführten Messungen an Hochleistungswerkstoffen
die Strahlungsdetektoren für den LHCBeschleuniger verbessern. Sie werden
für die Untersuchung höherer TeilchenEnergien und Luminositäten (TeilchenStrahl-Dichten) verwendet.
Wie hat das Vibrometer dabei
geholfen, gegenwärtige Probleme
zu lösen oder zu vermeiden?
Wir haben am CERN zwar umfangreiche
Erfahrung mit der Messung mechanischer Effekte unter sehr schwierigen Umgebungsbedingungen. Dieses Experiment
jedoch hat viele kritische Bedingungen
vereint: Vakuum, hohe Strahlungsleistung (Berechnungen zeigen eine integrierte Strahlungsdosis von 250 kGy),
Protonenstrahl nur wenige Millimeter von
den Sensoren entfernt, und sehr schnelle
physikalische Effekte. Die Radialgeschwindigkeitsmessungen an den Proben wurden
ebenfalls als sehr wichtige Informationen
betrachtet, mit Redundanz bei den Spannungsmessungen an der Oberfläche der
Proben. Moderne Kontaktsensoren überleben diese Umgebungsbedingungen
nicht; eine optische Messung ohne Kontakt und mit abgesetzten Elektronikgeräten war der beste Ansatz: das RSV-150
hat diese Anforderungen erfüllt.
nicht widerstanden, und die Anforderungen waren sehr hoch. Wenn der Strahl
auf die Probe trifft, breitet sich die Druckwelle mit einer Geschwindigkeit von etwa
4000 m/s in der Probe aus und erzeugt
an der Oberfläche eine Radialgeschwindigkeit von etwa 24 m/s bei einer Resonanzfrequenz von ca. 120 kHz. Unter diesen
Bedingungen kommt ausschließlich die
Technologie der Laser-Doppler-Vibrometrie in Frage!
Wie gestaltete sich die Zusammenarbeit mit und die Unterstützung
durch Polytec?
Das für diese Messungen verwendete
RSV-150 wurde, ausgehend von einem
bestehenden Gerät, für diese spezifische
Anwendung angepasst, um die Bandbreite auf 2,5 MHz zu vergrößern. Polytec
führte für uns Vorversuche zu den Rückstreueigenschaften der tatsächlichen Proben durch und unterstützte uns vor Ort
am CERN bei der optimalen Ausrichtung
der Umlenkspiegel.
Was wären die Alternativen zur
Vibrometrie gewesen?
Wie bereits erläutert, hätten Kontaktsensoren diesen schweren Bedingungen
9
Instandhaltung
Messung von
Zugkräften an Tragseilen
Kein
Drahtseilakt
Das berührungslose Messverfahren mit dem LaserVibrometer vereinfacht die Überprüfung der Tragseile von Brücken. Mit Hilfe der laserbasierten
Schwingungsmessung können Zugkräfte in Seilen
schnell, mit geringem Aufwand und mit höchstmöglicher Genauigkeit berechnet werden.
RSV-150 im Einsatz beim Bau der Deh Cho Brücke
in Kanada.
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Schrägseilbrücken bieten gegenüber
anderen Brückenarten eine Reihe von Vorteilen. Hierzu zählen der kosteneffiziente
Bau und ihr attraktives Erscheinungsbild.
Die Schrägseile, die die Fahrbahnplatte
tragen, werden jedoch nach dem Bau der
Brücke häufig nicht mehr gründlich überprüft.
Korrosion, Schlupf oder das Setzen von
Teilen bzw. der gesamten Konstruktion
können zu einer ungleichen Lastverteilung führen und die Restlebensdauer
der Brücke reduzieren. Andere Ereignisse, wie z. B. Unfälle, Brände oder seismische Bewegungen, haben ebenfalls
erhebliche Auswirkungen auf die Verteilung der Seilkräfte. Dies führt zu Ermüdung und wirkt sich negativ auf die
Lebensdauer der Tragseile aus. Polytec
und Metro Testing haben erfolgreich
demonstriert, wie berührungslose laserbasierte Schwingungsmessungen Informationen über die Zugkräfte in jedem
einzelnen Seil der Konstruktion liefern.
Vorteile des RSV
Dank des berührungslosen Messverfahrens entfällt eine Sensormontage direkt
am Seil, noch nicht einmal ein direkter
Zugang zu dem Messobjekt ist erforderlich. Das Laser-Vibrometer wird auf der
Brücke aufgestellt, und der Drittelspunkt
des Seils mit dem Laser anvisiert. Das
Gerät wertet das vom Messpunkt zurückgestreute Licht aus. Dazu vergleicht der
interferometrische Aufbau im Messkopf
das ursprüngliche Laserlicht mit dem vom
Seil zurückgestreuten Licht und ermittelt
so selbst kleinste Bewegungen. So misst
der Ingenieur vor Ort Geschwindigkeit
oder Verschiebung von Objekten, was mit
traditionellen Methoden (am Messpunkt
installierte Sensoren) nur mit erheblichem
Aufwand möglich ist.
Da kein spezielles Montagezubehör auf
der Brücke erforderlich ist, kann ein Seil
innerhalb von sechs Minuten schnell und
effizient vermessen werden. Bei guten
Witterungsverhältnissen sind so innerhalb einer Stunde zehn Seile überprüfbar.
Bauunternehmen und Brückeneigner
erhalten so einen vollständigen Überblick über die Zugkräfte in allen Tragseilen. Diese Daten erlauben Einblicke
in Zustand und Verhalten des Bauwerks.
Im konkreten Fall wurden während des
Baus der Deh Cho Brücke in der Nähe
von Fort Providence in den kanadischen
Nordwestterritorien die installierten verschlossenen Seile überprüft. Die erfassten
Daten und die daraus berechneten Zugkräfte lieferten dem Brückenbauingenieur und dem Bauunternehmen wichtige
Informationen für die abschließende Fertigstellung der Brücke. Für die Messung
aller 24 Seile wurde ein Zeitraum von 4
Tagen benötigt. Die Schwierigkeiten bei
diesem Projekt lagen in der Positionierung des Gerätes und dem Transport
von einem Aufstellort zum nächsten –
auf Grund der erst provisorischen Fahrbahnplatte. Zur Ermittlung der Eigenfrequenzen und somit zur Berechnung
der Zugkräfte in den Seilen wurden
zwei verschiedene Anregungsverfahren
verwendet.
Das berührungslose Schwingungsmessverfahren ist in der Forschung anerkannt
und seine Ergebnisse entsprechen denen,
die durch herkömmliche Verfahren, wie
z. B. die Messung mit Beschleunigungsaufnehmern, gewonnen werden.
Das Messverfahren ist berührungslos
und es sind keine Hubausrüstungen
erforderlich, um Messungen an einem
Drittels- oder Mittelpunkt eines Seils
durchzuführen. Ein freier Sichtzugang
etwa rechtwinklig zum Seil reicht völlig
aus, um diese Technologie einzusetzen
und damit schnell und einfach hochpräzise Messungen durchzuführen. Bei
herkömmlichen Verfahren ist u. U. ein
Deh Cho Brücke (Kanada) während der
Bauphase.
Lösen des Seils oder einzelner Stränge an
der Verankerung erforderlich; in einigen
Fällen ist die Verwendung von Hubausrüstungen auf der Fahrbahnplatte jedoch
aufgrund von Zugangsschwierigkeiten
nicht möglich. Aufgrund des hohen Aufwands für die Hubausrüstungen, ihre
Bereitstellung und die zugehörige Logistik bringt die laserbasierte, berührungslose Alternative in den meisten Fällen
einen deutlichen Kostenvorteil.
Die Projektpartner
Polytec und die Metro Testing Laboratories arbeiten eng zusammen, um die
Durchführung berührungsloser Zugkraftmessungen zu erleichtern. Metro Testing verfügt über jahrelange Erfahrung
mit statischen Berechnungen, für die die
Zugkraft aus Schwingungsdaten errechnet wird. In Verbindung mit der berührungslosen Schwingungsmessung über
große Distanzen mit Laservibrometern
von Polytec werden schnelle und genaue
Ergebnisse erzielt.
Autoren
Marcus Schmieder, ZfP-Spezialist,
Metro Testing Laboratories Ltd
David Oliver, VP Business Development,
Polytec Inc.
11
Strukturdynamik
Gründerzeithäuser in Wien
Erdbebensichere
Altbauten
Wertvolle Bausubstanz ist durch die Einführung des Eurocode 8 (2009), welcher
einen Nachweis der Erdbebensicherheit bei Umbauten erfordert, gefährdet, da die
angebotenen Nachweismethoden sich nur schlecht für eine Modellierung dieses
hochdynamischen Prozesses eignen und viel zu ungünstige Ergebnisse liefern. Daraus
resultiert, dass der Erdbebennachweis für Bauwerke, die vor 1970 errichtet wurden,
kaum gelingt. Lasermesstechnik schafft hier Abhilfe.
Bild 1: Schwingungsanreger
„HUBERT“
Bild 2: Laser-Messkopf des
PSV-400 Scanning Vibrometers
Bild 3: Schwingformen bei 4,75 Hz
Anregung bei unterschiedlichen
Verstärkungsmaßnahmen (1 – 7)
12
Bild 4: Schwingformen bei 11,75 Hz
Anregung entsprechend
Bild 5: Grundriss
des Messaufbaus
Im Zuge des Forschungsprojekts SEISMID® wurden Gründerzeithäuser in
Wien auf ihr dynamisches Verhalten im
Erdbebenfall untersucht. Dazu wurden
Mauerwerksproben, Ziegel- und Mörtelfestigkeit begutachtet sowie Finite-Elemente-Modelle erstellt und kalibriert.
Ein besonderer Aspekt war der messtechnische Nachweis von Ertüchtigungsmaßnahmen, welcher mit Hilfe eines
BRIMOS®-Wireless Systems und eines
Polytec PSV-400 Scanning-Laservibrometers realisiert wurde.
Objekt und Versuchsaufbau
Im Fokus der Arbeiten stand ein Gebäude
in der Fendigasse, welches saniert werden
sollte.
Bei diesem Objekt ergab sich die Möglichkeit verschiedene Stadien der Sanierung
bzw. unterschiedliche Ertüchtigungsmaßnahmen gezielt zu untersuchen. Mit Hilfe
des Scanning Vibrometers kann das Geschwindigkeitsfeld einer Struktur aufgenommen, anschaulich dargestellt und
analysiert werden. Die Messpunkte müssen vom Beobachtungspunkt aus sichtbar sein und innerhalb des durch das
Gerät begrenzten Blickwinkels liegen.
Um diese einzelnen Messreihen in Relation zueinander bringen zu können, ist
ein Referenzsensor an einer repräsentativen Stelle des Gebäudes notwendig.
Die Messungen wurden sowohl bei ambienter Anregung, als auch bei Anregung
durch einen eigens von den Projektpartnern entwickelten Schwingungsanreger
(„HUBERT“, Bild 1) durchgeführt.
Bild 5 zeigt den Grundriss des Messaufbaus bei der Messung des gesamten Bauwerks. Der Unwuchterreger befand sich
im 4. bzw. 5. Obergeschoss und wurde
mit Frequenzen von 4,75 sowie 11,75 Hz
betrieben. Der Laser-Messkopf des PSV400 wurde am Gehsteigrand aufgestellt,
um weder Verkehr noch Fußgänger zu
beeinträchtigen (Bild 2).
Sanierungsmaßnahmen
und ihre Auswirkungen
Im Laufe der Sanierungsarbeiten wurden
die nachfolgend (1 – 7) beschriebenen
Bauwerkszustände bzw. Ertüchtigungsmaßnahmen untersucht. Die Bilder 3
und 4 zeigen die Schwingformen der
Messungen im jeweiligen Zustand mit
der maximalen Auslenkung bei der Anregungsfrequenz 4,75 Hz bzw. 11,75 Hz.
1. Unveränderter Ursprungszustand:
Mit dieser Referenzmessung wurden
die Maßnahmen quantifizierbar.
2. Deckenbalken durch Gewindestangen
mit der Außenwand verspannt, wodurch eine direkte Verbindung zwischen Decken und Wand hergestellt
wurde. Die Messung beweist die Annahme, dass die Decken als einzelne
Scheiben unabhängig von der Außenwand auf die Anregung reagieren.
3. Streichbalken durch die angrenzenden
Zwischenwände mit Gewindestangen
verspannt, was eine direkte Verbindung
der Decken der Nachbarräume bewirkt.
4. Decke mit Grobspanplatten (oben
oder unten) zur Erhöhung der Schubsteifigkeit der Decken.
5. Betonscheibe im Dachgeschoss betoniert: Die zusätzliche Masse im obersten Teil des Bauwerks bewirkte eine
leichte Verschlechterung in Bezug auf
die maximalen Schwinggeschwindigkeiten im Bereich um 12 Hz festgestellt.
Dafür reagierte das Bauwerk homogener auf die lokale Anregung.
6. Feuerwände wurden an den beiden
Seiten des Gebäudes vom Keller bis
zum Dach eingezogen, die als Betonscheibe beschrieben werden können.
Diese Maßnahme zeigte besonders
hohe Wirkung hinsichtlich der
Schwinggeschwindigkeitsantwort.
7. Fertigstellung der Beton- und Stahlaufbauten sowie die Verstärkung der
Deckenscheiben im 3. und 4. Obergeschoss bewirken eine weitere Abnahme der Schwinggeschwindigkeiten.
Die Messungen belegen eine deutliche
Abnahme der maximalen Schwinggeschwindigkeiten durch die Sanierung.
Insgesamt reagiert das Bauwerk homogener auf Schwingungsanregungen
im unteren Frequenzbereich, der im
Erdbebenfall ausschlaggebend ist.
Schlussfolgerungen
Die Messergebnisse des PSV-400 Scanning Vibrometers stellen für den messtechnischen Nachweis von Sanierungsmaßnahmen an Gründerzeithäusern
einen deutlichen Mehrwert dar, da die
Auswirkungen baulicher Veränderungen
bereits innerhalb weniger Sekunden
nach der Messung anschaulich dargestellt werden können.
Speziell die Messungen der Außenfassade
mit den getätigten Maßnahmen sind als
hervorragend einzustufen. Die einzelnen
Schritte für sich ergeben zunächst eine
partielle Verteilung der Schwingungskonzentrationen auf mehrere Gebäudeteile;
die maximale Wirksamkeit ist jedoch erst
dann gegeben, wenn alle Maßnahmen
zugleich gesetzt sind. In der Summe
ergibt relativ einfach und gleichzeitig
kostengünstig eine deutliche Verbesserung des Schwingverhaltens des Gebäudes im Erdbebenfall.
Autoren · Kontakt
Dipl.-Ing. (FH) Martin Fritz, Priv. Doz.
Dr. Fritz Kopf, Prof. Dr. Helmut Wenzel
[email protected]
VCE Vienna Consulting Engineers ZT
GmbH, 1140 Wien, Österreich
13
Verbundwerkstoffe
NVH CAE-Test-Korrelation
bei faserverstärkten Kunststoffelementen
Nahtlose Integration
Bild 1: Verwendete Proben: Platte aus
faserverstärktem Kunststoff (links) und
geschlossenes Z-Profil (rechts)
14
Der Wunsch nach individueller und öffentlicher Mobilität ist eine starke Triebfeder
in der globalisierten Welt. Um den Ausstoß von Kohlendioxid zu reduzieren,
werden traditionelle Stahl- und Aluminiumwerkstoffe in Autos und Flugzeugen
zunehmend durch faserverstärkte Kunststoffe (FVK) ersetzt. FVK ist ein Kompositmaterial aus einer Polymer-Matrix, verstärkt durch Fasern aus Glas, Kohlenstoff
oder anderen Materialien. Die Herausforderung für den Entwicklungsingeni-
eur besteht darin, dass die strukturdynamischen Eigenschaften von FVKs,
auf Grund ihres anisotropen und inhomogenen Aufbaus, nicht einfach zu
simulieren sind. Die vorliegende Arbeit
beschreibt die experimentelle Überprüfung von Eigenfrequenzen und
Eigenmoden an einfachen FVK-Strukturen sowie an Heckdeckeln aus der
Vorserie. Ziel war es, die Qualität der
gewählten Simulationsansätze und
der Modellparameter zu überprüfen.
Strukturdynamik: Ein neuer Ansatz
im Validierungsprozess von FiniteElemente(FE)-Modellen
teile eines optischen 3D-Scanning-Laservibrometer-Systems in Verbindung mit
Robotik.
Bei der Modellvalidierung wird das
FE-Modell mit einem dynamischen Strukturmodell verglichen, das aus experimentellen Daten abgeleitet wurde. Die experimentelle Modalanalyse (EMA) liefert
modale Parameter (Eigenfrequenz, modale Dämpfung, Eigenschwingform) aus
den gemessenen Frequenzübertragungsfunktionen (FRF), welche das dynamische
Verhalten der Teststrukturen beschreiben. Die aus beiden Methoden – Test und
CAE – abgeleiteten modalen Parameter
werden dann miteinander verglichen.
Diese Korrelation erlaubt eine Überprüfung und Feinabstimmung der FE-Modellparameter. Ein validiertes FE-Modell
ermöglicht genauere Vorhersagen und
Simulationen von Strukturmodifikationen im Entwicklungsprozess eines Produkts.
Optische Methoden erleichtern die Arbeit
mit Hilfe von Messgittern, welche von
der vorhandenen FE-Geometrie des Testobjekts abgeleitet werden. Ohne die
Beschränkungen, die aufgeklebte und
verkabelte Sensoren mit sich bringen,
ermöglichen optische Verfahren die Überwindung zweier Hauptnachteile der konventionellen Testmethode: die beschränkte räumliche Dichte der Messpunkte und
die Massebehaftung. Die aus den Messdaten abgeleiteten Strukturmodelle spiegeln das reale dynamische Verhalten des
Testobjektes viel genauer wider. Die größere Anzahl von Messpunkten ermöglicht
eine höhere Präzision bei der Korrelation
der Strukturmodelle. Die MAC-Werte (...),
die den Grad der Übereinstimmung zwischen den berechneten und gemessenen
Eigenmoden beschreiben, werden dadurch deutlich verbessert. Dieser Ansatz
erleichtert den Modell-Updating-Prozess
erheblich, da verlässlichere Zieldaten und
genaue Datenbestände für die Modellkorrelation verfügbar sind.
Um qualitativ hochwertige, für die Modellvalidierung verwendbare experimentelle
Daten zu erhalten, müssen mehrere
Bedingungen erfüllt sein. Dazu gehören
die Lagerung des Testobjekts, die Schwingungsanregung, ein geringstmöglicher
Einfluss der Messung selbst auf die Testdaten sowie ein geeignetes Messpunktgitter. Das herkömmliche Verfahren
bedingt eine Montage von Beschleunigungsaufnehmern an mehreren Messpunkten und die anschließende Durchführung des Tests unter Einbeziehung
der aufgeklebten Massepunkte. Diese
können die Eigenschaften des Testobjekts
wesentlich beeinflussen. Außerdem erfordert die traditionelle Methode eine manuelle Definition des Testgitters sowie der
globalen und lokalen Koordinatensysteme
(Euler-Winkel!) des Testobjekts.
In diesem Artikel wird eine Methode vorgestellt, welche es erlaubt, FE-Geometriedaten zur Definition des Messgitters zu
verwenden. Dieser Ansatz nutzt die Vor-
RoboVib: Ein vollständig automatisiertes, Roboter-basiertes 3D-Scanning-Laservibrometer
Nachdem die FE-Geometrie in die Polytec
RoboVib Workstation importiert ist, können die optischen 3D-FRF-Messungen
direkt und automatisch in den Knotenpunkten des FE-Modells durchgeführt
werden. Die globalen Koordinatensysteme der FE- und Test-Geometrie werden
automatisch abgeglichen und die Übertragungsfunktionen werden direkt im
globalen Koordinatensystem des Testobjekts gemessen. Dadurch kann man das
Ergebnis einer späteren experimentellen
Modalanalyse auf einfache Weise mit
den Ergebnissen der FE-Simulation vergleichen und abstimmen.
Bild 2: Versuchsaufbau mit Platte
Fallstudie I: Einfache FVK-Strukturen
In einem ersten Schritt wurde eine experimentelle Überprüfung von Eigenfrequenzen und Eigenmoden an einfachen
FVK-Strukturen, wie unterschiedlich dimensionierten Platten und einem durch
NASTRAN modellierten geschlossenen
Z-Profil (Bild 1), durchgeführt. Aus dem
ursprünglichen FE-Netz wurde dann für
die Vorbereitung des Modaltests ein Gitter
abgeleitet. Das Ziel war die Anregung
aller Moden zwischen 0 und 1.000 Hz
aus einer Shaker-Position sowie das Auffinden einer geeigneten Position für den
Kraftaufnehmer.
Vor der Messung wurden die Proben unter
Frei-Frei-Bedingungen gelagert. Ein Polytec
PSV-400-3D Scanning Vibrometer wurde
verwendet, um die 3D-Schwingungsantwort an jedem Messpunkt zu erfassen.
Die drei Messköpfe waren an einem Roboterarm befestigt, was eine vollständig
automatisierte Positionierung an jeder
Stelle der Objektoberfläche erlaubte
(Bild 2). Ò
15
Verbundwerkstoffe
Die experimentellen und numerischen
Eigenfrequenzen und MAC-Werte wurden
dann, unter Verwendung des NX-Korrelationstools, miteinander korreliert. Bild 3
zeigt Beispiele berechneter Moden, die
aus den Messergebnissen des geschlossenen Z-Profils extrahiert wurden, im Vergleich zu den entsprechenden Moden
aus der FE-Simulation. Bild 4 stellt die
entsprechende MAC-Matrix dar.
gen gebracht und die eingeleitete Kraft
wird mit Hilfe eines Kraftaufnehmers
gemessen.
Für die Messung wurde ein Gitter aus
1.000 Punkten importiert, das von einem
vorhandenen FE-Gitter durch Netzvergröberung abgeleitet wurde. Zur Anregung
wurde ein Multisinus-Pseudo-RandomSignal verwendet, mit einer Frequenzbandbreite von 200 Hz, einer Auflösung
von 0,5 Hz und komplexer 10-fach-Mittelung. In Bild 6 ist die Amplitude der Transferfunktion in z-Richtung (Geschwindigkeit/Kraft) und der Imaginärteil der
Transferfunktion in z-Richtung (Beschleunigung/Kraft) am Anregungspunkt (driving point function) dargestellt. Die Bilder
7 und 8 zeigen beispielhaft ein Simulationsergebnis bei 42,5 Hz und die entsprechende gemessene Schwingform bei
45 Hz.
Die Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung ist sehr gut – der niedrigste MAC-Wert liegt immer noch über
0,85 und die Frequenzabweichung ist
vernachlässigbar gering.
Fallstudie II: Modalanalyse
an Kfz-Heckdeckeln
Weitere Untersuchungen wurden an
einer Reihe von Heckdeckeln durchgeführt (Bild 5), die von Daimler zur Gewinnung von Daten für eine Modalanalyse
zur Verfügung gestellt wurden. Die Heckdeckel bestehen aus einer KunststoffAußenschale mit einem Innenträger aus
Carbon-Verbundwerkstoff. Dieses Bauteil
wurde für den Mercedes-Benz SL 65 AMG
entwickelt und ermöglicht eine deutliche
Gewichtsreduktion im Vergleich zum
Heckdeckel des Vorgangermodells.
Vor der Messung wurde der Prüfling mit
Gummiseilen unter annähernden FreiFrei-Bedingungen gelagert. Die Struktur
wird mit Hilfe eines Shakers zum Schwin-
Bild 3: Vergleich von testbasierten (links) und berechneten
Eigenschwingungsformen (rechts) des geschlossenen Z-Profils
Ref.
Mode
Ref.
Freq.
Work
Mode
Work
Freq.
MAC
Freq. %
Error
1
178,0
1
180,4
0,980
1,4
2
318,5
2
329,8
0,982
3,6
3
473,6
3
482,4
0,976
1,9
4
656,8
4
665,5
0,932
1,3
6
840,1
5
834,4
0,854
–0,7
7
903,7
6
904,8
0,946
0,1
Bild 4: MAC-Matrix, Korrelation zwischen simulierten und gemessenen Moden des Z-Profils
16
Anschließend an die Modenextraktion
werden die MAC-Werte berechnet, die
den Grad der Übereinstimmung zwischen
gemessenen und berechneten Eigenschwingungsformen wiedergeben. Die
MAC-Matrix der Ergebnisse ist von außerordentlich hoher Qualität, die ersten 14
Moden stimmen sehr gut mit den Ergebnissen der FE-Analyse überein.
Schlussfolgerungen
Bild 5: Optische Schwingungsmessung an einem Heckdeckel
Das 3D-Scanning Vibrometer von Polytec
erlaubt eine sehr effiziente Integration des
experimentellen Modaltests in den CAEEntwicklungsprozess. Das Messgitter
kann direkt aus CAE-Daten gewonnen
und für den Test verwendet werden. Die
Messergebnisse lassen sich andererseits
einfach und unkompliziert für den Abgleich mit der Simulation verwenden. In
den gezeigten Fallbeispielen konnten die
Simulationsergebnisse eindeutig den testbasierten Moden zugeordnet werden. Das
Verfahren stellt hochpräzise Messdaten
zur Verfügung, es treten keinerlei Einflüsse
durch Massenbehaftung oder fehlerhafte
Euler-Winkel auf. Die Modellkorrelation
konnte mit diesem Verfahren dank der
höheren Messpunktdichte auch hin zu
höheren Frequenzen erweitert werden.
Bild 6: Amplitude der Transferfunktion in z-Richtung (Geschwindigkeit/Kraft, oben)
und Imaginärteil der Transferfunktion in z-Richtung (Beschleunigung/Kraft, unten)
Autoren · Kontakt
Dr. Kamal Idrisi, Abt. RD/RMC, Daimler AG
[email protected]
Eric Winkler, Jochen Schell, Polytec GmbH
[email protected]
Dieser Artikel basiert auf einem Vortrag
der Autoren bei der EMAUG Conference
(European Modal Analysis Users Group)
in Ingolstadt am 10.–11. März 2011.
Bild 7: Simulierte Mode bei 42,5 Hz
Bild 8: Gemessene Schwingform bei 45 Hz
17
Qualitätskontrolle
Marktführer setzt auf Polytec
„Das hat immer
gut gepasst“
18
Herrmanns Entwicklungsleiter Ulrich Vogler
vor einem Teststand mit integriertem Polytec
Scanning Vibrometer.
Herrmann Ultraschalltechnik
aus Karlsbad schätzt Polytecs
individuelle Lösungen. Die
Parallelen der beiden Unternehmen sind so eng, dass man
fast von Zwillingen sprechen
kann. Die Ultraschallspezialisten aus dem wenige Kilometer
von Waldbronn entfernten
Karlsbad sind nur sechs Jahre
älter als Polytec, haben weltweit 260 Mitarbeiter und sind
in ihrem Bereich ebenfalls
Weltmarktführer.
Arnold Schneider, einer der Geschäftsführer bei Herrmann, ergänzt: „Beide Firmen
haben viele Gemeinsamkeiten: Hightechprodukte, Marktführer auf ihrem Gebiet,
Kontinuität und Beständigkeit in dem,
was man tut – da sind wir uns sehr ähnlich. Polytecs Technologie ist faszinierend
und unsere auch.“
dige Wärme. Die Molekularstruktur der
Kunststoffe bricht auf und verbindet sich
neu. Die Schweißstelle ist optisch kaum
zu erkennen und absolut dicht. „Ein
weiterer Vorteil ist, dass keine potentiell
gesundheitsgefährdenden Klebstoffe verwendet werden müssen“, weiß Ulrich
Vogler, Entwicklungsleiter bei Herrmann.
Bekanntheit erlangte Herrmann mit
Maschinen, die Kunststoffe mittels
Ultraschall zusammenschweißen. Diese
Technik setzt man beispielsweise ein,
um Türverkleidungen von Autos, Lebensmittel-Verpackungen oder Babywindeln
herzustellen. Wenn Sie also das nächste
Mal eine Trinktüte oder ein Kaffepad verwenden, ist es gut möglich, dass sie mit
Hilfe von Herrmann-Technik hergestellt
wurden.
Mit Vibrometern von Polytec gewährleistet Herrmann, dass die Sonotroden
richtig und gleichmäßig schwingen:
„Fast jedes Schweißwerkzeug ist individuell und es gibt immer wieder neue
Anforderungen: störende Resonanzen,
Schwingformen, die eben nicht so sind,
wie sie sein sollen, Serienwerkzeuge,
die sich einfach anders verhalten, weil
die verwendeten Materialien unterschiedliche Schwingungseigenschaften
haben“, erläutert Vogler.
Beim Ultraschallschweißen werden Titanwerkzeuge, die sogenannten Sonotroden,
in eigenresonante Schwingungen versetzt. Die dabei entstehende Reibung
erzeugt die für das Schweißen notwen-
Die Schwingformen, die das PSV erfasst
und animiert darstellt, helfen Herrmann
dabei, das Schwingverhalten seiner
Sonotroden zu optimieren. Ò
19
Qualitätskontrolle
Das Scanning Vibrometer überprüft
jede Sonotrode, die Herrmann verlässt
bzw. zur Überprüfung angeliefert wird.
Eine Qualitätssicherung, die nur die berührungslosen Schwingungsmessgeräte
von Polytec erlauben. „Mit dieser Kontrolle können wir sicher sein, dass die
Teile, die unser Haus verlassen, beim
Kunden auch funktionieren“, so Vogler
stolz und weiter: „Dank des PSVs kön-
nen sich die Kunden darauf verlassen,
dass ihre Maschinen zuverlässig produzieren.“
Der Ultraschallspezialist setzt das Vibrometer aber nicht nur in der Produktion,
sondern seit kurzem auch in der Entwicklungsabteilung ein. Insgesamt drei
Schwingungsmessgeräte sind ständig
im Einsatz. „Mein Traum wäre ein
3D-Scanning System von Polytec.
Damit könnte ich die Schwingungen
in alle Richtungen gleichzeitig messen
und dokumentieren“, gesteht Vogler.
Herrmann ist seit etwa 12 Jahren
Polytec-Kunde. Was man bei den Ultraschall-Spezialisten besonders schätzt,
ist die Flexibilität Polytecs und die Bereitschaft individuelle Anforderungen des
Kunden zu berücksichtigen. „Man hat
uns sehr viel angepasst in Ihrem Haus.
Das hat uns natürlich vom Standard
weg bewegt“, berichtet Schneider und
Vogler ergänzt: „Bei uns hat sich die
Investition in moderne Messtechnik
bezahlt gemacht. Es hat uns technologisch weiter gebracht.“
Die Qualitätskontrolle erforderte früher
eine halbe Stunde und braucht heute
gerade einmal eine Minute. Von den
dadurch verkürzten Durchlaufzeiten
profitiert der Kunde.
Eine weitere Gemeinsamkeit, die Herr
Schneider schätzt und die er mit einem
Schmunzeln verrät ist das gute Verhältnis: „Wir haben uns immer gut verstanden, das hat immer gut gepasst – egal
mit wem wir Kontakt hatten.“
Alles in Ordnung?
Qualitätsprüfung einer Sonotrode
mit einem scannenden Vibrometer
Herrmann Ultraschalltechnik
GmbH & Co.KG
Hightechmaschinenbauer für UltraschallSchweißmaschinen und Module
Geschäftsführer: Walter und Thomas
Herrmann,
Arnold Schneider
20
Umsatz:
ca. 40 Mio. €
Mitarbeiter:
250 weltweit
Exportquote:
55 %
Simulation
MAN zählt auf Polytec
„Polytec hat im
Bereich der Lasermesstechnik Kompetenz“
Die MAN Diesel & Turbo SE ist weltweit führender Anbieter von
Großdieselmotoren und Turbomaschinen für den maritimen
und stationären Einsatz. Das Unternehmen entwickelt Zweitaktund Viertaktmotoren, Gas- und Dampfturbinen sowie Kompressoren. Turbolader, Propeller, Gasmotoren und chemische
Reaktoren ergänzen das Produktportfolio. Das Liefer- und Leistungsspektrum von MAN Diesel & Turbo umfasst komplette
Schiffsantriebssysteme, Turbomaschinensätze sowie schlüsselfertige Kraftwerke. Ò
Harald Mittelhammer
Validierungsgruppe
Turbolader MAN Diesel
& Turbo SE
21
Simulation
Wir sprachen mit Harald Mittelhammer, der in der Validierungsgruppe bei der Turbolader-Entwicklung arbeitet, über seine
Arbeit mit dem Scanning Vibrometer und seine Erfahrungen
mit Polytec.
Herr Mittelhammer, was sind Ihre
Aufgaben bei MAN Diesel & Turbo SE?
Zu meinen Aufgaben gehört die Validierung von Turboladerkomponenten.
Welches Vibrometer von Polytec
verwenden Sie?
Bei MAN Diesel & Turbo SE setzen wir das
PSV-400 mit der Softwareversion PSV
Soft 8.8 ein. Wir stellen aber im Zug eines
Hardware-Refreshs auf Version 9 um.
Damit erweitern wir auch unser Rack um
weitere 4 auf dann insgesamt 8 Kanäle
für die gleichzeitige Erfassung von Dehnungsmessstreifen-Signalen bei einem
PSV Scan.
Können Sie kurz die Anwendung
beschreiben, in der Sie unser Vibrometer einsetzen?
Einfach ausgedrückt: Mit dem PSV überprüfen wir unsere FE-Modelle. In der Validierungsgruppe gewinnen wir damit die
Daten für Modalanalysen von Verdichterrädern und Turbolader-Turbinen. Diese
experimentellen Ergebnisse werden dann
für den Parameterabgleich der FE-Ergebnisse verwendet.
Wie würden Sie die Qualitätsstandards
der MAN Diesel & Turbo SE einordnen?
Was kann passieren, wenn diese Standards nicht eingehalten werden?
Wir würden unser Zertifikat nach ISO
9001 verlieren. Weiterhin sind bei Nichteinhalten der geforderten Spezifikationen
Feldschäden unvermeidbar und dies ist
immer mit hohen Kosten verbunden.
Wie helfen Ihnen die Vibrometer
von Polytec, die geforderten Qualitätsstandards einzuhalten?
Die berührungslose Messtechnik an den
rotationssymmetrischen Bauteilen verbunden mit der schnellen Messung vieler
Messpunkte ist für uns der Schlüssel zum
Erfolg.
Hammeranregung und Schwingungsmessung eines Verdichterrads und einer
Turbinenschaufel
22
Welchen Nutzen ziehen Sie aus der
Verwendung der berührungslosen
Messtechnik?
Das sind die klassischen Vorteile wie
schnelles Einrichten, die hohe Auflösung
und nicht zu vergessen, die sehr hohe
Empfindlichkeit.
Wie haben Sie Schwingungen vorher
gemessen und was verursachte dabei
Probleme?
In der Zeit vor dem Einsatz des PSV
wurden Schwingungen mit Dehnungsmessstreifen gemessen. Problematisch
war dabei die geringe Empfindlichkeit,
auch weil der Energieeintrag für optimale
Messergebnisse zu gering war. Zudem
beeinflussten die geklebten Messstreifen
die vermessene Struktur. Es waren nur
wenige Messpunkte möglich, da eine Versteifung der Struktur durch die Streifen
nicht auszuschließen war.
Sie haben an unserer 12. Vibrometer
Anwenderkonferenz teilgenommen,
einen Vortrag gehalten und andere
Polytec-Anwender kennengelernt.
Würden Sie die Veranstaltung weiterempfehlen?
Soweit es mein Kalender erlaubt, werde
ich die Konferenz als festen Termin einbauen. Für mich ist vor allem der Blick
auf das breite Anwendungsspektrum
interessant. Ich empfehle die Veranstaltung jedem Schwingungsinteressierten.
Wie ist Ihr genereller Eindruck von
Polytec?
Die schnelle Reaktion auf Kundenanforderungen ist meines Erachtens besonders
hervorzuheben. Im deutschsprachigen
Raum sehe ich keine Alternative auf diesem Feld. Polytec hat im Bereich der
Lasermesstechnik Kompetenz.
Gibt es noch weitere Anwendungsgebiete für Messtechnik von Polytec
bei MAN Diesel & Turbo SE? Wenn
ja: wie sehen diese aus? Gibt es dazu
schon konkrete Pläne?
Für die Zukunft ist geplant, nicht nur
Teilstrukturen sondern komplette Turbolader mittels experimenteller Modalanalyse zu vermessen. Diesem Ziel sind
wir schon näher gekommen. Außerdem
haben wir angefangen, das Einpunktlaservibrometer zur Überwachung bei Dauerläufen von Motoren einzusetzen.
Herr Mittelhammer, wir danken Ihnen
für das Gespräch!
Die MAN Diesel & Turbo SE
Weltweit führender Anbieter
von Großdieselmotoren und Turbomaschinen
Umsatz:
3,780 Mio. €
Mitarbeiter: ca. 15.000 weltweit
23
Produktneuheiten
In kompaktester Form
PSV Scanning
Vibrometer
Scankopf, Stativ, Front-End und Notebook einpacken und los geht’s zum nächsten Messeinsatz.
Auf das leistungsfähige Messsystem für die flächenhafte Messung von Schwingformen braucht man
jetzt dank des neuen kompakten PSV-500-NB nicht
mehr verzichten.
Die Grundfunktionen mit einem Referenzkanal, optionalem Signalgenerator, Geometrie-Sensor und 50 kHz Bandbreite steuert
dank der volldigitalen VibroLink-Schnittstelle und der integrierten Datenerfassung
im Front-End des Messsystems ein mitgeliefertes Notebook. VibroLink macht den
Anwender auch räumlich unabhängiger, so
dass er bis zu 100 m vom Messsystem,
beispielsweise in einer Leitwarte, die Messung überwachen kann. Selbstverständlich
braucht man auch beim
PSV-500-NB
im PSV
500 NB nicht
auf die gewohnte HD-Videoübertragung
-Videoübertragung
von Scankopf zu verzichten.
chten
n.
24
PSV-A-550 Fernsteuerung
PSV
PSV-A-525 Frontfenster
Stativsystem für PSV-3D
Die Messung direkt am Messobjekt einzurichten hat gerade bei komplexen
zur
Geometrien mit schmalen Kanten oder
Geo
Rohrleitungen Vorteile. Die neue FernRoh
steuerung für das PSV-500 Scanning
steu
Vibrometer positioniert den Messpunkt
Vib
präzise – eine Fingerbewegung genügt.
prä
Die Fernsteuerung PSV-A-550 basiert auf
einem Windows Surface RT Tablet Comeine
puter und der App „PSV Commander“.
put
Fingergesten bewegen den Laser, defiFing
nieren und korrigieren die Messpunkte.
nie
Auch das Videobild der PSV Software
Auc
wird als zusätzliche Kontrolle übertrawir
gen. Gerade für Nutzer des PSV-500-3D
gen
bringt die Fernsteuerung mehr Präzision
brin
bei der Erstellung des 3D-Abgleichs. Die
Fernsteuerung ist ab sofort als Option
Fer
oder zur Nachrüstung im Set mit einem
ode
vorkonfigurierten WLAN-Router für den
vor
Systemrollschrank verfügbar.
Sys
Hochpräzise Optik und Staub passen
nicht gut zusammen. Weil aber die
Messung mit einem Scanning-Vibrometer so viele Vorteile bringt, wollen
unsere Kunden den Sensor auch in
rauer Umgebung einsetzen. Mit dem
Schutzfenster PSV-A-525 hat Polytec
dem nun Rechnung getragen. Es verschließt und schützt Kamera- und Scanner-Öffnung vor Staub und reduziert
gleichzeitig die akustische Anregung
der Scanner-Spiegel bei hohen Schallpegeln. Es ist als Zubehör ausschließlich
für PSV-500 Systeme erhältlich.
Die drei Scanköpfe für die 3D-Schwingungsanalyse des PSV-3D bilden für die
Messung eine Einheit. Das motorisierte
Stativsystem PSV-A-T51 sorgt dafür, dass
diese Einheit auch beim Wechsel der
Messposition erhalten bleibt. Der sonst
erforderliche wiederholte 3D-Abgleich
kann entfallen. Das neue Stativsystem
ersetzt das PSV-A-T31 System. Es erlaubt
sehr flexible Messpositionen bis hin zu
vertikalen Messungen von unten. Dank
motorischer Unterstützung ist der Wechsel der Messpostion bequem und präzise. Durch eine intelligente Kinematik
wurden, trotz größerer Flexibilität des
Gesamtsystems, Stützfüße zur Gewährleistung der Kippsicherheit obsolet. Das
spart Platz im Labor.
Kontakt · Mehr Info
Weitere Informationen zu unseren
Scanning Vibrometern und passendem Zubehör finden Sie unter:
www.polytec.de/psv
25
Produktneuheiten
3D-Schwingungsmessung an Mikrosystemen
MSA-100-3D Micro System
Analyzer
nischen Komponenten? Wie misst man
Bewegungen mit Sub-Nanometer-Amplituden und visualisiert sie in Slow-Motion?
Wie testet man elektrisch schwer zugängliche, relevante Funktionsparameter von
MEMS, die das Bewegungsverhalten beeinflussen? All diese Fragen lassen sich mit
optischen Messverfahren wie der LaserDoppler-Vibrometrie einfach, schnell und
zuverlässig beantworten. Der neue Polytec MSA-100-3D Micro System Analyzer
erschließt nun weitere Möglichkeiten:
Wie charakterisiert ein Entwicklungsingenieur das Bewegungsverhalten Mikroelektromechanischer Systeme (MEMS)
wie z.B. Drehratensensoren (Gyroskope),
Beschleunigungssensoren oder anderer
Mikrobausteine mit beweglichen mecha-
Das MSA-100-3D misst dreidimensionale
Schwingungsparameter mikroskopischer
Objekte in Echtzeit mit bisher unerreichter
Genauigkeit für alle 3 Raumrichtungen.
Hierzu fokussiert der Sensor einen Laserstrahl auf die zu messende Struktur und
analysiert das Streulicht. Aus der DopplerFrequenz-Verschiebung des Streulichtes
Zertifizierte
Genauigkeit
LSV-MID
Bei Produkten, die in der EU nach Länge
verkauft werden, muss die Vermessung,
gemäß der europäischen Messgeräterichtlinie 2004/22/EC, auf geeichten
Maschinen erfolgen. Besonderer Fokus
liegt auf der Genauigkeit der Messungen
und der Integrität und Sicherheit der
Daten.
26
für diese 3 Raumrichtungen bestimmt
das Gerät die Objektbewegung. Das neue
System bietet eine bisher für In-PlaneBewegungen unerreichte Messfähigkeit
mit einer Amplitudenauflösung im Picometer-Bereich. Da die meisten MEMSBauteile in der Ebene schwingen, erfüllt
das neue Gerät eine lange geforderte
Messeigenschaft für die es bisher keine
zufriedenstellende Lösung gab.
Das Gerät ist kompatibel mit gängigen
Probestations und ist somit direkt für
Messungen auf Wafer-Level einsetzbar,
auch im Vakuum.
Mehr Info
www.polytec.de/microsysteme
Für Kunden, die dieser Richtlinie unterliegen, hat Polytec das LSV-1000MID entwickelt. Es besteht aus einem Messkopf
und einem Controller in Form eines
Industrie Panel-PCs. Die Messungen sind
für mindestens 90 Tage gespeichert und
stehen für Prüfungen zur Verfügung.
Über eine offene Ethernet-Schnittstelle
lässt sich das System auch einfach und
komfortabel in die Netzstruktur einbinden.
Mehr Info
www.polytec.de/lsv
Schwingungsmessung senkrecht zur Strahlrichtung
In-Plane Vibrometer IPV-100
In-Plane Vibrometer erfassen axiale
Bewegungen von der Seite. Sie kommen
immer dann zum Einsatz, wenn die
Messstelle in Schwingungsrichtung
optisch nicht zugänglich ist. In der Entwicklung und Qualitätssicherung von
Ultraschallwerkzeugen und Festplattenslidern genau wie bei der Analyse von
Riemenantrieben und Schlupfvorgängen
sind sie unersetzliche Werkzeuge. Aber
auch lineare Stoßbewegungen von
Werkzeugen erfasst das IPV-100 unter
Betriebsbedingungen.
Gleichzeitig wurde mit der neuen
Gerätegeneration die Messfähigkeit
auf ungünstigen Oberflächen deutlich verbessert.
Das neue IPV-100 zeichnet sich durch
eine hohe Frequenzbandbreite und Geschwindigkeitsauflösung aus, die auch
kleinste Schwingungen präzise erfasst.
Mehr Info
www.polytec.de/inplane
Schwingungsmessung einfacher und schneller
OFV-5000 Modular Vibrometer
Das modulare Vibrometer System auf
Basis des OFV-5000 Controllers ist aufgrund seiner Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit einer von Polytecs Bestsellern.
Seine Frequenzbandbreite von DC bis
24 MHz erlaubt den Einsatz in vielfältigen
Anwendungen - vom Forschungslabor
bis zur Produktionsstraße.
Der Controller dieses bewährten Laservibrometers wurde nun mit einem 7“
großen Farb-Touchscreen ausgestattet
und ein neues, sorgfältig gestaltetes Interaktionskonzept rundet das Bedienerlebnis ab: Die Konfiguration ist damit
für erfahrene und neue Nutzer gleichermaßen intuitiv und leicht verständlich.
Technisch bleibt der OFV-5000 Controller vollständig kompatibel mit seinem
Vorgänger und den bewährten Messköpfen.
Mehr Info
www.polytec.de/ofv5000
27
Messen und Events
Advancing Measurements by Light
Messen und Events
Datum
Veranstaltungen
Ort
02.09.2013 – 30.11.2013
Vibration Lab on Tour
bei Ihnen
08.10.2013 – 10.10.2013
Semicon Europe 2013
Dresden
08.10.2013 – 09.10.2013
International Conference on Extrusion and Benchmark – ICEB 2013
Dortmund
14.10.2013 – 16.10.2013
Mikrosystemtechnikkongress 2013
Eurogress, Aachen
16.10.2013 – 23.10.2013
K 2013
Düsseldorf
22.10.2013 – 23.10.2013
6. MTZ-Fachtagung: Ladungswechsel im Verbrennungsmotor 2013
Stuttgart
23.10.2013 – 24.10.2013
VDI-Tagung „Metrologie in der Mikro- und Nanotechnik 2013“
Nürtingen
24.10.2013
Improving Performance of MEMS Designs
Using Optical Characterization
Online – an Ihrem PC
05.11.2013 – 06.11.2013
Seminar: PSV-Scanning-Vibrometer Training
Polytec, Waldbronn
07.11.2013 – 08.11.2013
Seminar: PSV-Scanning-Vibrometer Training Fortgeschrittene
Polytec, Waldbronn
13.11.2013 – 14.11.2013
20. Internationale IFF-Fachtagung
Weimar
19.11.2013
Validierung von Berechnungsmodellen
Polytec Test-Center, Waldbronn
26.11.2013 – 28.11.2013
SPS-IPC-Drives 2013
Messe Nürnberg
27.11.2013 – 28.11.2013
Seminar: Vibrometrie Allgemein –
Nicht-Scannende Laser Doppler Vibrometer
Polytec, Waldbronn
28.11.2013
Internationale Jahrestagung STAHL 2013
Düsseldorf
Änderungen der technischen Spezifikationen vorbehalten. OM_InFocus_2013_2000_D
International MEMUNITY MEMS Testing and Metrology
Workshop am 9. Oktober 2013 im Rahmen der SEMICON
Europa2013 in Dresden
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www.semiconeuropa.org/node/2111
Kundenmagazin
INFO
Neben der InFocus erscheint von Polytec das INFO-Magazin, das Ihnen regelmäßig interessante Einblicke in unsere
Photonischen Technologien gibt. Schwerpunkte des
umfassenden Produktspektrums sind die industrielle Bildverarbeitung, optische Telekommunikation, faseroptische
Sensorik, optische Strahlungsmesstechnik, Photovoltaik
und Halbleitermesstechnik sowie Laser und elektro-optische Testsysteme. Abonnieren Sie gleich Ihre kostenlose
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Polytec GmbH
Polytec-Platz 1-7
76337 Waldbronn
Tel. +49 7243 604-0
[email protected]
Polytec GmbH
Vertriebs- und
Beratungsbüro Berlin
Impressum
Polytec InFocus · Magazin für Optische Messsysteme
Ausgabe 1/2013 – ISSN 1864-9181 · Copyright © Polytec GmbH, 2013
Herausgeber: Polytec GmbH · Polytec-Platz 1-7 · D-76337 Waldbronn
V.i.S.d.P.:
Redaktion:
Produktion:
Bildrechte:
Dr. Hans-Lothar Pasch
Dr. Philipp Hassinger
Regelmann Kommunikation
soweit nicht anders angegeben
bei den Autoren
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12489 Berlin
Tel. +49 30 6392-5140
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