Die Produktentwicklung im Automobilbereich wird durch immer kürzere Entwicklungszyklen und einen hohen Kostendruck geprägt. Gleichzeitig muss die Automobilindustrie auf strengere Vorschriften zur Senkung des Schadstoffausstoßes reagieren. Daher kommen Leichtbaumaterialien und neue Materialkombinationen zum Einsatz. Diese neuen Materialien müssen die hohen Anforderungen an Funktion, Sicherheit und Lebensdauer erfüllen – eine Aufgabe für optische Messsysteme.
Katrin Steneberg, Sales Operations Manager, GOM, Braunschweig
Um Konstruktion, Simulation und Entwicklungszyklen zu beschleunigen, setzt die Automobilindustrie verstärkt optische Messsysteme anstelle von herkömmlichen Dehnungsmessstreifen, Beschleunigungssensoren, Wegaufnehmern oder Extensometern ein. Die berührungslos arbeitenden Systeme kommen nicht nur bei Crash- und Impacttests, sondern auch in Klimakammer-, Windkanal- und Langzeitversuchen zum Einsatz. Automobilhersteller wie Audi, BMW, Daimler, Porsche oder Volkswagen und Zulieferer wie Autoliv, Bosch, Continental, TRW und ZF schätzen dabei besonders, dass sie die optischen Messverfahren vollständig und ohne Aufwand in bestehende Testvorrichtungen und Prüfstände integrieren können.
Messen von Verschiebungen, Geschwindigkeit und Beschleunigung
Die optischen Sensoren liefern Messdaten der Bauteilgeometrien sowie der dreidimensionalen Verschiebungen und Verformungen. Dabei werden statische und dynamische Deformationen sowohl punktuell als auch flächenhaft ermittelt. Anhand dieser Messdaten werden nicht nur Sicherheit und Funktion der Bauteile geprüft, sondern gleichzeitig Simulations- und Konstruktionsprozesse optimiert. Dadurch wird die Produktentwicklung deutlich beschleunigt.
Für Test- und Prüfingenieure ist vor allem die Frage interessant, wie sich Bauteile und Komponenten während eines Crash- und Impacttests verhalten – nur so ist die Sicherheit von Insassen und Fußgängern gewährleistet. Hierzu ist eine genaue Analyse des dynamischen Verhaltens einzelner Bauteile und Komponenten nötig. Zur besseren Darstellung und Veranschaulichung stehen punktuelle und flächenhafte Messverfahren zur Verfügung. Zum Einsatz kommen optische Messsysteme aber nicht nur bei Crash- und Impact-, sondern auch bei Windkanaltests, auf Fahrwerks- und Motorenprüfständen, bei Türen-, Hauben-, Klappenversuchen sowie Vibrations- und Schwingungsanalysen.
6DoF-Analysen von Crashtests
Für Schlittenversuche beispielsweise werden üblicherweise punktuelle Messverfahren als schnelle Methode zur Erprobung von Sitzen, Rückhaltesystemen und Innenraumteilen eingesetzt. Bei diesen Versuchsaufbauten kommen weder teure Prototypen noch ganze Fahrzeuge zu Schaden, da diese nur bis zu einer vordefinierten Geschwindigkeit beschleunigt werden. So lassen sich die Auswirkungen von Frontal-, Seiten- und Heckcrashs kostengünstig darstellen. Unabhängig vom Versuchsaufbau zeigen punktuelle Messsysteme wie Pontos 3D-Verschiebungsvektoren, während sie zusätzlich die Geschwindigkeit und Beschleunigung messen.
Anhand der gesammelten Messdaten werden dann unter anderem Bewegungen von Sitzen und Crashtest-Dummies ermittelt. Die Auswertung ermöglicht vollständige 6DoF-Analysen, beispielsweise Rotation und Translation eines Dummy-Kopfes. Auch die Bewegung und Drehung des Oberkörpers können gemessen werden, ebenso die Aufprallgeschwindigkeit des Kopfes auf die Kopfstütze und die Bewegung der Beine. Dabei werden die Verschiebungen der gemessenen Punkte dreidimensional dargestellt. Testingenieure können anhand der Daten genau analysieren, wie sich Kopf und Rumpf im Raum bewegen. Das wiederum erlaubt Rückschlüsse auf die Sicherheit von Sitz- und Gurtsystemen, zeigt aber auch, ob die Gefahr eines Kopfaufpralls im Interieur besteht.
Punktuelle Messverfahren lassen sich einfach in verschiedene Prüfstände integrieren. Zu messende Punkte werden über Messmarken identifiziert. Der Versuchsaufbau wird außerdem durch die integrierte Positionierung beschleunigt: Mittels optisch getracktem Taster können die in Testvorschriften angegebenen Soll-Positionen, z.B. von Dummies und Sitzen, schnell bestimmt und markiert werden. Die Messungen selbst können durch die integrierte Beleuchtung und den flexiblen Trigger für Bildaufnahmen auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen leicht ausgeführt werden. Für Dauerbelastungstests bis hin zu Highspeed-Anwendungen sind Bildaufnahmefrequenzen von bis zu 1 000 000 Hz möglich. Darüber hinaus können synchron Analogkanäle (Kraft, Weg, Winkel, Temperatur etc.) aufgenommen werden.
Vollflächige Dehnungen und Verschiebungen sichtbar machen
In anderen Versuchsaufbauten sind bei sicherheitsrelevanten Bauteilen flächenhafte Informationen über dynamische Deformationen besonders wichtig. Demzufolge kommen flächenhafte Messverfahren (z.B. Aramis) häufig bei Crash- und Impacttests, aber auch bei Komponentenversuchen, zum Beispiel an Airbags, sowie auf Reifenprüfständen zum Einsatz.
Airbag-Gehäuse und das Öffnungsverhalten der Airbags werden dabei mit Highspeed-Kameras analysiert. Anhand der flächenhaften Messdaten ist die Berechnung von Oberflächendehnungen und Verschiebungen in allen Ebenen möglich. Genutzt werden flächenhafte Messverfahren auch bei Aufprallversuchen, etwa auf Windschutzscheiben. Da die Scheiben aus mehreren Materialschichten bestehen, sind numerische Simulationen für das Verhalten unter Last häufig ungenau. Mit Hilfe der vollflächigen Messdaten, die hier mit den Highspeed-Kameras von Aramis erfasst werden, sind verlässliche Aussagen zur Ausbreitung von Rissen auf Windschutzscheiben möglich, die sonst unbemerkt geblieben wären.
Klimakammerversuche: Analyse statischer Verformungen
Die Qualitätskontrolle umfasst neben dem dynamischen Bauteil- und Komponentenverhalten auch statische Verformungen im Vorher-Nachher-Vergleich. Mit portablen, optischen Systemen wie Tritop werden dafür die Koordinaten von dreidimensionalen Objekten mittels Photogrammetrie ermittelt. Eingesetzt werden solche Systeme bei Klimakammerversuchen, um punktuelle Verformungen und Veränderungen an Spalt- und Bündigkeitsmaßen unter verschiedenen Temperaturen und Umweltbedingungen zu analysieren. Die Messungen erlauben damit Aussagen zur Steifigkeit der verwendeten Materialien sowie über die Qualität der Konstruktion. Photogrammetrie-Systeme werden auch genutzt, um den Zustand eines Fahrzeuges vor und nach einem Frontalaufpralltest zu dokumentieren. Anhand der 3D-Koordinaten aus beiden Messreihen können punktuelle Verformungsvektoren in x-, y- und z-Richtung bestimmt werden.
Reicht eine punktuelle Messung nicht aus, stehen optische 3D-Scanner (z.B. Atos) zur Verfügung, um eine flächenhafte Beschreibung der Bauteilgeometrie zu erreichen und statische Verformungen sichtbar zu machen. Mit diesen 3D-Scannern werden komplette Karossen, einzelne Bauteile und Komponenten, aber auch Barrieren vor und nach dem Test flächenhaft erfasst. Die Scandaten von Barrieren zeigen etwa den vollflächigen Abdruck des Autos, so dass die Absorption der Energie bei einem Frontalaufprall besser beurteilt werden kann.
Mehr Komfort und Sicherheit sowie längere Lebensdauer
Verschärfte Sicherheitsvorschriften und unterschiedliche internationale Standards erfordern ein flexibles und leicht zu integrierendes Messsystem. Mit berührungslos arbeitenden optischen Messsystemen werden heutzutage statische, dynamische, punktuelle und flächenhafte Analysen ausgeführt. Messbereiche, Bildraten und Auflösung sind je nach Testaufbau anpassbar. Die erfassten 3D-Messdaten stehen dauerhaft zur Verfügung und können auch lange nach dem Versuch und in unterschiedlichen Zusammenhängen ausgewertet werden. Dabei lassen sich die Messergebnisse anschaulich in Diagrammen, Filmen und Bildern darstellen.
Anhand der 3D-Messdaten sind Aussagen zu Sicherheitsrisiken, Bauteillebensdauer, Kriech- und Alterungsprozessen sowie zur Änderung der äußeren Erscheinung über die Lebensdauer und im Gebrauch möglich. Das führt nicht nur zu mehr Sicherheit und erhöhtem Komfort, sondern auch zu längerer Lebensdauer und ansprechendem Design der Produkte.
Simulationsabgleich
Ein wichtiger Bereich für den Gebrauch von optischen Messdaten ist der Simulationsabgleich. Mit den Ergebnissen lassen sich sowohl Simulationsparameter kontrollieren und verbessern als auch aktuelle und künftige Konstruktionsprozesse optimieren. Das spart weitere Testläufe und beschleunigt die Entwicklung von Produkten. jpk
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