Intelligente Lagerungen durch Metallkissen mit integrierter Sensorfunktion
Metallkissen stellen mit ihrer hohen chemischen und thermischen
Beständigkeit eine sinnvolle Alternative zu Elastomerkomponenten dar. Die
Elastizität und Dämpfung der Drahtgeflechte beruht auf den
Wechselwirkungen einzelner Drahtsegmente während der Verformung. Am
Fraunhofer LBF haben Forschende diesen Effekt in Form eines neuen
Sensorkonzepts nutzbar gemacht. Die neue Sensorik kann kostengünstig und
bauraumneutral in bestehende Systeme integriert werden. Mit einfachen
Mitteln werden Prozesse und Lagerzustände überwacht sowie dynamische
Lagerkräfte quantifiziert. Anwendungen im Fahrzeug- und Maschinenbau sowie
in der Mess- und Prüftechnik sind denkbar.
Maßgeschneiderte Sensoren für einzigartige Funktionsintegration
Während die mechanischen Eigenschaften von Elastomeren durch
makromolekulare Wechselwirkungen geprägt sind, bewirken die Abstützung und
Reibung ineinander verflochtener Drahtsegmente die Elastizität und
Dämpfungseigenschaften von Metallkissen. 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.
Eine bisher weniger beachtete Eigenschaft von Metallkissen ist deren
elektrische Leitfähigkeit. Diese variiert mit dem Deformationszustand, der
die Anzahl und Pressung der Kontaktflächen im Inneren des Drahtgeflechts
beeinflusst. Die Messung der Leitfähigkeit beziehungsweise 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 neuartiges
Sensorkonzept entwickelt, wo Metallkissen neben ihrer traditionellen Rolle
als strukturelle Elemente auch eine Schwingungsanalyse und Feststellung
von statischen und dynamischen Lagerkräften ermöglichen. Die erfolgreich
erwirkte Patentierung unterstreicht die Einzigartigkeit dieses innovativen
Konzepts der Funktionsintegration.
Intelligentes Metallkissen detektiert effizient und präzise 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
Darmstädter Forschenden 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
nicht-lineare 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 besonderer
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
vermieden.
