Forscher berechnen Lebensdauer von Sportlauffedern mit
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Anwendungsbeispiel: Berechnung der Lebensdauer einer Sportlauffeder Messsystem: PONTOS Keywords: Orthopädietechnik, Prothesen, Wöhlerlinie, Belastungstests, Dauerfestigkeit, Simulationsabgleich, Bewegungsanalyse, optische 3D-Messtechnik GOM mbH Mittelweg 7-8 38106 Braunschweig Deutschland Tel +49 531 390 29 0 Fax +49 531 390 29 15 [email protected] GOM International AG Bremgarterstrasse 89B 8967 Widen Schweiz Tel +41 5 66 31 04 04 Fax +41 5 66 31 04 07 [email protected] GOM UK Ltd Unit 14, The Cobalt Centre Coventry, CV3 4PE Großbritannien Tel +44 2476 639920 Fax +44 2476 516990 [email protected] GOM Asia Keyuan Road 88, Tower 2, Unit 731 201203 Shanghai PR China Tel +86 21 2898 6551 Fax +86 21 2898 6552 [email protected] GOM France SAS 10 Quai de la Borde 91130 Ris Orangis Frankreich Tel +33 1 60 47 90 50 Fax +33 1 69 06 63 60 [email protected] GOM Branch Benelux Interleuvenlaan 15 F 3001 Leuven Belgien Tel +32 16 408 034 Fax +32 16 408 734 [email protected] GOM Italia Srl Via della Resistenza 121/A 20090 Buccinasco (MI) Italien Tel +39 02 457 01 564 Fax +39 02 457 12 801 [email protected] www.gom.com Copyright © 2014 GOM mbH All rights reserved! Rev. A (de) 181214 1 Anwendungsbeispiel: Berechnung der Lebensdauer einer Sportlauffeder Messsystem: PONTOS Keywords: Orthopädietechnik, Prothesen, Wöhlerlinie, Belastungstests, Dauerfestigkeit, Simulationsabgleich, Bewegungsanalyse, optische 3D-Messtechnik Sportprothesen müssen hohe Anforderungen erfüllen, da beim Sport besonders schnelle Bewegungen und damit auch höhere Belastungen entstehen. Um verlässliche Aussagen zur Lebensdauer der Prothesen machen zu können, hat der Lehrstuhl für Leichtbau im Automobil (LiA) an der Universität Paderborn in einem Forschungsprojekt die Festigkeit von Sportlauffedern untersucht. Das Projekt erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Orthopädietechnik Winkler und weiteren Partnern. Innerhalb der zyklischen Belastungstests am Prüfstand sowie am Patienten wurden optische Messsysteme eingesetzt. Anhand der Ergebnisse erfolgte die Berechnung der Lebensdauer der Prothesen, um die Sicherheit für die Sportler zu erhöhen. Zusätzlich dienten die Messdaten zur Verifizierung der Simulation und zum Vergleich mit klassischen Messmethoden wie Dehnungsmessstreifen. Das Unternehmen Orthopädietechnik Winkler hatte das Forschungsprojekt initiiert, da die Sportlauffedern aus neuartigen Faserverbundkunststoffen (CFK mit Epoxid­ harzmatrix) bestehen und neu ausgelegt wurden. Die Federn werden mit einem speziellen Injektionsverfahren jeweils kundenspezifisch einzeln hergestellt (Abb. 1). Dabei tragen die unidirektionalen CFK-Lagen, also die Fasern, die in eine Richtung orientiert sind, die Hauptlast. Anhand der Ergebnisse will das Mindener Unternehmen Sensoren in die Federn integrieren, damit Daten regelmäßig überprüft werden können, und der Sportler vor Überlast und Schäden gewarnt werden kann. Abb. 1: Die Sportlauffedern bestehen aus neuartigen Faserverbundkunststoffen und werden von dem Mindener Unternehmen Orthopädietechnik Winkler mit einem speziellen Injektionsverfahren kundenspezifisch hergestellt. Copyright © 2014 GOM mbH All rights reserved! Rev. A (de) 181214 2 Bevor die Forscher allerdings ein Modell zur Lebensdauer der Sportlauffedern entwickeln konnten, wurden zunächst in Zug- und Druckversuchen Materialkennwerte wie E-Modul, Schubmodul und Querkontraktionszahl ermittelt. Diese Materialparameter sind dann in das Simulationsprogramm (Altair Hyperworks) eingeflossen. Zusätzlich haben die Forscher die ermittelten Kennwerte in Zugund Dreipunkt-Biegeversuchen überprüft und die Ergebnisse erneut mit der Simulation verglichen. Anhand der validierten Materialkennwerte erfolgte eine erste Simulationsberechnung für die Lauffeder (Abb. 2). Die Berechnungen wurden zunächst mit statischen Belastungsversuchen überprüft, im Anschluss kamen die dynamischen Belastungstests zur Entwicklung eines Lebensdauer­ modells hinzu. Abb. 2: Nach der Ermittlung der Materialkennwerte in Zug- und Druckversuchen und deren Validierung erfolgte eine erste Simulationsberechnung für die Lauffeder. Damit die Lebensdauer der Sportlauffedern berechnet werden kann, wird eine sogenannte Bauteilwöhlerlinie benötigt. Um diese zu bestimmen, haben die Forscher zyklische Belastungstests an mehreren Federn vorgenommen. Im Versuchsstand kam dabei ein Hydropulser zum Einsatz, der die Lauffedern unidirektional belastet. Um den Belastungswinkel von 12,5° realisieren zu können, wurde die Kontaktfläche zur Lauffeder entsprechend schräg gestellt. Im Prüfstand wurden Federn im Maximalkraftbereich bis zum Versagen sowie im Dauerfestigkeitsbereich über zwei Millionen Zyklen getestet. Weitere Lauffedern wurden im Zeitfestigkeitsbereich zwischen 1.000 und zwei Millionen Zyklen geprüft, um die Bauteilwöhlerlinie besser bestimmen zu können. Copyright © 2014 GOM mbH All rights reserved! Rev. A (de) 181214 3 In den Versuchen griffen die Forscher auf das berührungslos messende PONTOS System zurück. Im Gegensatz zu konventionellen Methoden wie Dehnungsmessstreifen (DMS) erfasst der optische Sensor dreidimensionale Verschiebungen und Dehnungen der Lauffedern kontaktlos. Anhand der punktuellen 3D-Messdaten wird das Verhalten der Komponente im Raum sichtbar – so werden Dehnungen nicht nur in einer Gesamtrichtung erfasst, sondern jeder Punkt wird dreidimensional, also in x-, y- und z-Richtung, analysiert. Die Messdaten sind wiederum in die Simulation eingeflossen, um das Bauteil möglichst realistisch numerisch zu berechnen. Das PONTOS System ließ sich ohne Anpassungen in den bestehenden Versuchsaufbau integrieren (Abb. 3): Inspektionspunkte wurden über aufgeklebte Messmarken identifiziert, die einfach von Anwendern an interessanten Bereichen aufgebracht wurden. Die Messungen selbst können durch die integrierte Beleuchtung und den flexiblen Trigger für Bildaufnahmen auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen ausgeführt werden. Darüber hinaus können synchron Analogkanäle (Kraft, Weg, Winkel, Temperatur etc.) aufgenommen werden. Für Dauerbelastungstests bis hin zu Highspeed-Anwendungen sind Bildaufnahmefrequenzen von bis zu 1.000.000 Hz möglich. Abb. 3: Um die Lebensdauer der Sportlauffedern berechnen zu können, haben die Forscher zyklische Belastungstests an mehreren Federn vorgenommen. In den Versuchen kam das berührungslos messende PONTOS System zum Einsatz (links). Im Gegensatz zu konventionellen Methoden wie Dehnungsmessstreifen (DMS) erfasst der optische Sensor dreidimensionale Verschiebungen und Dehnungen der Lauffedern. Die Messdaten sind anschließend wiederum in die Simulation eingeflossen, um das Bauteil möglichst realistisch numerisch zu berechnen. Um den Prüfstand und die optischen Messdaten zu validieren, wurde die Lauf­ feder in mehreren Patiententests untersucht. Dabei bewegten sich die Probanden auf einem Laufband mit einer Geschwindigkeit von 6 bis 10 km/h (Abb. 4). In dem Versuch kamen DMS an kritischen Punkten, Drucksensoren in der Sohle und ein Kniewinkelsensor zum Einsatz. Zusätzlich griffen die Forscher auf das Hochgeschwindigkeitskamerasystem PONTOS zurück, um die Bewegung des Kraft­ angriffspunktes und die Verformung der Lauffeder zu erfassen. So konnte der Lauf des Probanden genau untersucht werden. Die Auswertungen haben gezeigt, dass die Signale aller Sensoren synchron sind. Zudem haben die sinus­förmigen Verläufe aus dem Prüfstand und dem Patiententest gut übereingestimmt, so dass aus den Werten der Sensoren auf die Laufbewegung und die auftretenden Kräfte geschlossen werden konnte. Copyright © 2014 GOM mbH All rights reserved! Rev. A (de) 181214 4 Abb. 4: Um den Prüfstand und die optischen Messdaten zu validieren, wurde die Lauffeder in mehreren Patiententests untersucht. Dabei bewegten sich die Probanden auf einem Laufband mit einer Geschwindigkeit von 6 bis 10 km/h. Die Forscher griffen auf das Hochgeschwindigkeitskamerasystem PONTOS zurück, um die Bewegung des Kraftangriffspunktes und die Verformung der Lauffeder zu erfassen. So konnte der Lauf des Probanden genau untersucht werden. In dem Forschungsprojekt haben die Forscher die Sportlauffeder numerisch berechnet und experimentell an einem Versuchsstand und in Patiententests untersucht. Anhand der Ergebnisse wurde die Lebensdauer der Feder in einer Bauteilwöhlerlinie ermittelt. In den Versuchen wurde festgestellt, dass die Belastungen, die beim normalen Lauf auftreten, unterhalb der Dauerfestigkeit der Sportlauf­ feder liegen. Daher besteht keine Gefahr für ein plötzliches Versagen, solange die Auslegung der Lauffeder beibehalten und eine gleichbleibende Qualität der Prothesen gewährleistet werden kann. Dennoch kann es bei längerer Nutzung der Lauffeder zu Steifigkeitsabnahmen oder zu Missbrauchsfällen mit Überlast (zum Beispiel durch Sprünge) kommen. Deswegen sollen die Lauffedern durch integrierte Sensoren überwacht werden, um eine regelmäßige Überprüfung der Daten durch einen Orthopädietechniker gewährleisten zu können. Copyright © 2014 GOM mbH All rights reserved! Rev. A (de) 181214 5 Wöhlerlinie Der Wöhlerversuch ist in der Werkstofftechnik angesiedelt, speziell im Maschinenbau bei der Ermittlung der Betriebsfestigkeit von Bauteilen. Der Wöhlerversuch bzw. die Wöhlerlinie ist nach August Wöhler benannt. Zwischen 1858 und 1870 nahm der deutsche Ingenieur erstmals methodisch untermauerte Versuche zur Schwingfestigkeit von Werkstoffen vor. Mit dem Wöhlerversuch wird die Schwingfestigkeit, genauer die Zeitfestigkeit und Dauerfestigkeit von Werkstoffen oder Bauteilen, ermittelt. Hierfür werden die Versuchskörper zyklisch, meist unter einer sinusförmigen BeanspruchungZeit-Funktion, belastet. Dabei sind die Lastamplituden und das Verhältnis Oberlast zu Unterlast konstant. Der Wöhlerversuch läuft, bis ein definiertes Versagen (Bruch, Anriss) eintritt oder eine festgelegte Anzahl Schwingungen (Schwingspielzahl) ausgehalten wird. Die im Wöhlerversuch erreichten Ergebnisse werden in einem Diagramm dargestellt. Im Wöhlerdiagramm wird die Nennspannungsamplitude über der Schwingspielzahl dargestellt. Die entstehenden Verbindungen zwischen den einzelnen Messergebnissen werden als Wöhlerlinie oder Wöhlerkurve bezeichnet. Im Fall der Sportlauffeder werden über die in die Prothese eingebrachten Sensoren Dehnungen gemessen und in die wirkende Spannung umgerechnet. Mithilfe der Wöhlerlinie wird die ertragbare Anzahl an Zyklen bei der vorliegenden Belastung (N) berechnet und der Schadenswert (dS) als Kehrwert der Zyklen bestimmt (dS = 1/N). Die Gesamtschädigung wird dann als Summe aller Zyklen in der Datenverarbeitung berechnet (S = S + dS). Erreicht die Gesamtschädigung den Wert eins, so versagt das Bauteil. Die Restlebensdauer (R) kann bestimmt werden, indem die Gesamtschädigung vom Wert eins abgezogen wird (R = 1 – S). Copyright © 2014 GOM mbH All rights reserved! Rev. A (de) 181214 6
