Elektronikbauteile im Shaker bis 1000g beschleunigen

Forscher wollen mit einem neuen Prüfaufbau elektronische Komponenten mit sehr viel höheren Beschleunigungen harmonisch monofrequent anregen als bisher. Der Prüfaufbau wird in Resonanz betrieben und zuvor numerisch simuliert.

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Elektronische Bauteile müssen im Alltag oftmals extremen Bedingungen standhalten. Hier sind es vor allem Elektronikbauteile, die in der Nähe von schnelldrehenden Elektromotoren verbaut sind. Denn hier treten hohe Beschleunigungen auf. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF sind in der Lage, Prüflinge mittels Resonanzüberhöhungstests mit mehr als zehnmal höheren Beschleunigungen zu testen als bei einem herkömmlichen Shakeraufbau.

In ihrer Testanordnung erweitern die Wissenschaftler am Darmstädter Institut einen Shaker durch einen Resonanzaufbau, was es ermöglicht, die Anlage und den Prüfling bei einer gewünschten Frequenz in Resonanz zu betreiben. Außerdem werden die auf den Prüfapparat wirkenden Kräfte durch Leichtbau der bewegten Massen niedrig gehalten. So erreichen die Wissenschaftler mit vergleichsweise wenig Aufwand Beschleunigungen von bis zu 1000g bei einer harmonischen Anregung.

Numerische Simulation der Parameter

Damit der Gesamtaufbau optimal ausgeführt ist, mussten die LBF-Wissenschaftler vorab eine numerische Simulation durchführen. So können sie verschiedene Parameter des Aufbaus genau abschätzen, die für die Resonanzfrequenz entscheidend sind. Das Besondere daran betont Thomas Pfeiffer, der den Testaufbau am Fraunhofer LBF betreut: „Wir können hier als Anbieter von Umweltsimulationen in der Abteilung auf eine Gruppe zurückgreifen, die sich mit numerischen Analysen beschäftigt. Je nach Bedarf können wir das numerische Modell zusätzlich mithilfe des individuellen Aufbaus experimentell validieren.“

Durch die Simulation lässt sich dann vorab die Belastung der einzelnen Prüfaufbaukomponenten abschätzen. So wird sichergestellt, dass sich die gewünschte Prüfdauer erreichen lässt. In einem Validierungsexperiment können die Forscher die Simulation weiter verbessern und die maximal mögliche Überhöhung der Beschleunigung gegenüber der maximalen Beschleunigung des Shakers abschätzen.

Aufbau in Leichtbauweise

Die langjährige Erfahrung bei der dynamischen Lastaufprägung ermöglicht es den Fraunhofer LBF, bewegte Teile präzise und bedarfsgerecht für die jeweiligen Belastungen auszulegen. Mithilfe der eigenen Lasersinteranlage lassen sich komplexe Teile des Resonanzaufbaus als monolithischen Block konstruieren. Das spart Gewicht und senkt somit die Belastung des Shakers. Ebenso erhöht sich die Belastbarkeit des Prüfaufbaus in Resonanz. „Für die harmonische Anregung des Prüflings können wir je nach Kundenwunsch eine feste Frequenz bei geforderter Beschleunigung einhalten oder eine maximale Beschleunigungsamplitude mit Frequenznachführung in vorgegebenen Grenzen aufprägen“, erklärt Pfeiffer.

Je nach Anwendung und Einsatz des zu prüfenden Bauteils kann eine auf bis zu ein Hertz genaue Anregung über eine hohe Schwingspielzahl erforderlich sein. Durch numerische Vorauslegung, Leichtbauweise und Resonanzaufbau können diese Voraussetzungen am Prüfstand umgesetzt werden. Dabei wird die Beschleunigungsamplitude nach Vorgabe auf das Testobjekt geregelt. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, bei geringfügig variabler Frequenz, eine maximale Beschleunigung in Resonanz anzuregen, indem die Frequenz nachgeführt wird. Der Fokus des Tests liegt hierbei auf der hohen Beschleunigungsamplitude, mit welcher das Bauteil belastet werden soll.

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