Vibrationsschäden frühzeitig erkennen

Die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte hängt wesentlich von ihrer mechanischen Stabilität ab. Sind sie im Betrieb starken Vibrationen ausgesetzt, ermüden die Materialien schleichend, am schnellsten die Lötstellen. Mit modernen Analyse-Methoden lassen sich Schwachpunkte in der Konstruktion schon in einer frühen Phase erkennen und beheben.

Die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte hängt wesentlich von ihrer mechanischen Stabilität ab. Sind sie im Betrieb starken Vibrationen ausgesetzt, ermüden die Materialien schleichend, am schnellsten die Lötstellen. Mit modernen Analyse-Methoden lassen sich Schwachpunkte in der Konstruktion schon in einer frühen Phase erkennen und beheben.

Eine häufige Ursache für Ausfälle ist Bruch eines Leiters. Durch Stöße, Vibration oder thermische Zyklen bilden sich Mikrorisse im Material, die sich mit der Zeit vergrößern. So werden etwa Platinen, die in einem Kraftfahrzeug oder einer schweren Maschine sitzen, ständig durchgerüttelt, dazu oft auch noch periodisch aufgeheizt und abgekühlt. Die Fehler bleiben lange Zeit versteckt, zwischen dem Beginn ihrer Entstehung und ihrer Auswirkung können Jahre liegen.

Um derartige Schäden zu verhindern, muss der Entwickler aufspüren, wo die Schwachstellen in der Struktur sitzen. Wie verhält sich das Gerät unter Vibrationen? Welches Teil bewegt sich bei welcher Frequenz in welcher Weise? Wo treten große, zerstörerische Schwingamplituden auf und wo nur kleine, harmlose? Wenn dies alles genau bekannt ist, lassen sich daraus Ideen für konstruktive Änderungen entwickeln.

Das dafür verwendete Messverfahren – die Modal-Analyse – kann in der Praxis sehr arbeitsintensiv werden. Wer in dieses komplexe Gebiet neu einsteigen will, steht zunächst einmal vor intensiven Lernprozessen und größeren Sachinvestitionen. Sehr viel ökonomischer ist es, sich damit an einen entsprechend spezialisierten Messdienstleister zu wenden, der über die erforderlichen Geräte und die nötige Erfahrung verfügt.

Das Spektrum der auf diese Weise analysierbaren Strukturen hat sich im Laufe der Jahrzehnte immer mehr verbreitert. Nach unten reicht es heute bis zu mikrometer-kleinen MEMS-Bauelementen, nach oben bis zu größten Schwermaschinen und Gebäuden. Entsprechend verschieden sind die jeweils relevanten Frequenzbereiche und auch die Messapparaturen. Egal wie groß, jede mechanische Konstruktion hat eine ganze Reihe von Eigenresonanzen. Bei diesen Frequenzen ist die Relation von Schwingamplitude zu hineingesteckter Leistung besonders hoch. Und eben dies bedeutet in der Praxis Gefahr. Hier sind die zugehörigen Schwingungsformen zu untersuchen, anschließend kann man Maßnahmen zu ihrer Bedämpfung entwickeln.

Infolge von Alterung kann sich die Lage von Resonanzfrequenzen im Laufe der Zeit verändern. Werden schwingungsrelevante Strukturelemente z.B. wegen Rissbildungen und beginnender Brüche „weicher“, dann verschieben sich die Resonanzfrequenzen nach unten, werden sie – etwa aufgrund Versprödung – „härter“, nach oben. Auch die Amplituden und die Schwingungsformen als solche können sich dabei ändern. Das alles lässt sich sehr genau detektieren. Ist das Schwingungsverhalten einer intakten Struktur über einen breiten Frequenzbereich hinweg bekannt, kann dies als Basiszustand definiert werden. An Abweichungen sind sich anbahnende Schäden schon frühzeitig erkennbar, lange bevor echte Beeinträchtigungen auftreten.