Resonanzanalyse als Mittel der Qualitätskontrolle
Die Resonanzprüfung ist eine etablierte Prüfmethode in der industriellen Fertigung, um die strukturelle Integrität und Qualität mechanischer Komponenten oder Baugruppen durch die gezielte Analyse der Eigenfrequenz und Schwingungsmoden zu bewerten. Dabei wird ein Prüfling mittels mechanischer oder akustischer Kraft angeregt und dann die Reaktion des Bauteils gemessen, um seine Resonanzeigenschaften zu bestimmen. Die akustische Resonanzprüfung beschreibt die Analyse der Resonanzen einer Probe durch Charakterisierung ihrer Schwingungssignatur. In der industriellen Fertigung ermöglicht die akustische Resonanzanalyse, oft in der Fertigungskontrolle und als End-of-Line-Test, verlässliche iO/niO-Entscheidungen und die Defekterkennung, um fehlerhafte Teile in der Fertigungslinie zu ermitteln und auszuschleusen.
Optische Sensoren wie Laser-Doppler-Vibrometer bieten hierzu eine berührungslose wie hochpräzise Lösung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz, die signifikante Vorteile verspricht.
Polytec Magazin
Measuring acoustic signatures and testing resonances at production level
Measuring the resonance frequency from DC to MHz and GHz
Typische Phasen und Schritte der akustischen Resonanzanalyse
Die Resonanzanalyse umfasst in der Regel die folgenden Schritte:
- Anregung: Eine Kraft oder ein Eingangssignal wird auf das zu prüfende Bauteil ausgeübt. Dieser Input kann mechanisch sein, z. B. durch einen Shaker oder Hammeranregung, oder akustisch, z. B. durch Schallwellen. Ziel der Anregung ist, das Bauteil mit einer Reihe von Frequenzen anzuregen, um so seine natürlichen Resonanzfrequenzen zu ermitteln.
- Messung: An verschiedenen Messpositionen des Bauteils werden Sensoren ausgerichtet (oder Beschleunigungsaufnehmer angebracht), um seine Reaktion auf die Anregung zu messen. Diese Sensoren zeichnen Daten auf, wie z. B. Amplitude, Geschwindigkeit oder Beschleunigung, welche für die anschließende Analyse von Relevanz sind.
- Datenanalyse: Das Datenset wird analysiert, um die Resonanzfrequenzen oder Modenformen des Bauteils zu ermitteln. Resonanzfrequenzen sind diejenigen Frequenzen, bei denen das Bauteil von Natur aus am stärksten schwingt. Sie weisen auf mögliche strukturelle Schäden, Schwachstellen oder Defekte hin und geben Aufschluss über Materialeigenschaften und den Gesundheitszustand.
- Auswertung: Interpretiert man die Resonanzdaten, lässt sich darauf basierend die strukturelle Integrität und Qualität des Prüflings beurteilen. Abweichungen von den erwarteten Resonanzfrequenzen oder ungewöhnliche Modenformen können auf Defekte, Ermüdung oder andere Probleme hinweisen, welche die Leistung, Lebensdauer oder Sicherheit des Bauteils beeinträchtigen könnten.
Optische, berührungslose Resonanzprüfung durch Lasersensoren
Bei der Resonanzanalyse geht es darum, die Eigenfrequenzen oder Eigenmoden eines Objekts zu ermitteln. Ist ein Objekt Schwingungen bei oder in der Nähe seiner Eigenfrequenz ausgesetzt, neigt es zu größeren Schwingungsamplituden. Dieser Effekt ermöglicht es, strukturelle Probleme, Defekte oder Schwachstellen früh und systematisch zu erkennen. Durch die Analyse des Frequenzgangs erhalten Ingenieure Einblicke in die strukturellen Merkmale des geprüften Objekts, einschließlich der Steifigkeit, Dämpfung und mechanischen Eigenschaften sowie seiner allgemeinen Integrität.
Die Laser-Doppler-Vibrometrieist eine fortschrittliche optische Technologie, die im Zusammenhang mit der Resonanzprüfung mehrere Vorteile bietet:
- Hohe Präzision: Laserbasierte Messsysteme liefern extrem genaue und präzise Daten, die es Ingenieuren ermöglichen, selbst subtile Veränderungen im Schwingungsverhalten eines Objekts zu erkennen.
- Berührungslos: Laservibrometer messen die Prüflingsstruktur optisch und berührungsfrei. Dies minimiert Störungen und lässt die Messungen ohne Einfluss oder Massebeladung auf den Prüfling durchführen. Dies ist entscheidend bei empfindlichen, feinen oder auch heißen Komponenten, wo man keine konventionellen Beschleunigungssensoren anbringen kann.
- Großer Frequenzbereich: Laservibrometer decken einen großen Frequenzbereich ab und eignen sich daher für die Breitband-Resonanzanalyse ob Niederfrequenz oder Hochfrequenz und bis in den GHz-Bereich hinein.
- Ferngesteuert: Laservibrometern detektieren Schwingungen auch über große Entfernungen, was die Bauteil-Beurteilung in Maschinen und Anlagen kurzfristig ermöglicht, ohne direkte physische Zugänglichkeit. Dies ist in Gefahrenzonen wie Hochspannungs- oder Explosionsbereichen und bei Infrastruktur unerlässlich.
- Schnelle Datenerfassung: Laservibrometer können Daten schnell mit analoger und digitaler Datenübertragung erfassen und ermöglichen so Echtzeitanalysen und sofortiges Feedback während der Prüfung.
Optische Messtechnik und Sensoren zur akustischen Resonanprüfung
Prüfexperte werden: Tipps, Vergleiche und Video-Tutorials
Das IVS-500 Industrievibrometer von Polytec ist ein spezieller Sensor für die akustische Resonanztests und vibroakustische End-of-Line-Prüfung. In diesem exklusiven Bereich (Login) fassen wir alle Grundlagen der optischen Resonanzprüfung mit Laservibrometern zusammen, bieten einen übersichtlichen Technologie-Vergleich für Resonanztests und geben wertvolle Tipps & Tricks in Video-Tutorials speziell für den Einsatz des IVS-500 - für alle Einsteiger, aktuelle Anwender, Integratoren und Prüfexperten.
Prüfung von Resonanzen am Fallbeispiel HDD und Präzisionsmechanik
Festplatten (HDD) mit ihrer ständig wachsenden Speicherdichte und kürzeren Zugriffszeiten erfordern ein extrem hohes Maß an Stabilität in Bezug auf die Lage und Positionierung des Schreib-/Lesekopfs im Verhältnis zur Schnittstelle des Laufwerks. Die Flughöhe ist ein Balanceakt: Eine geringe Flughöhe ermöglicht eine bessere Ortsauflösung bei Schreib-/Lesevorgängen und damit eine höhere Datendichte; damit steigt aber das Risiko von Kollisionen. Die Flughöhe beträgt lediglich wenige Nanometer und ist aufgrund des Luftlagers stark vom Umgebungsdruck abhängig. Das Luftlager hat jedoch Resonanzen, die ebenfalls vom Umgebungsdruck abhängen und somit zu neuen Instabilitäten führen könnten.
Mittels berührungsfreiem Messverfahren sind Laservibrometern nahezu die einzige Möglichkeit, die Resonanzanalyse am feinen Schreib-/Lesekopf einschließlich der Aufhängung hinsichtlich einer dynamischen Anregung zu messen. Bei Resonanztests mit Einpunkt- und Scanning-Vibrometern wird das Frequenzspektrum der Amplitude des Schreib-/Lesekopfes in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck gemessen. Dies lässt kritische Zustände ermitteln und konstruktiv darauf eingehen. Ziel des Optimierungsprozesses ist es, Schreib-/Leseeinheiten zu produzieren, die robust sind und verlässlich in allen Alltagssituationen funktionieren.
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