"Vibrometrie misst unabhängig von Material, Größe oder Temperatur"

In der Automobilbranche hat die Laser Vibrometrie in den letzten Jahren einen festen Platz eingenommen. Sie bietet als berührungsloses Messverfahren für Körperschwingungen jedweder Art ein breiteres Einsatzspektrum als herkömmliche berührenden Methoden. all4engineers stellte Michael Frech, Bereichsleiter für den Geschäftsbereich Lasermesssysteme der Polytec GmbH, einige Fragen zu den Besonderheiten dieses Messverfahrens für die Automobilindustrie.

Herr Frech, in welchen Geschäftsbereichen ist die Polytec GmbH tätig?
Nach einer Umstrukturierung im letzten Jahr gliedert sich die Polytec GmbH heute in vier Geschäftsbereiche. Da ist der seit der Firmengründung 1967 permanent gewachsene Bereich "Photonik" mit Lasern aller Leistungsklassen, mit Laser- und Lichtdiagnosegeräten, Lichtwellenleitertechnik Bildverarbeitungs-Equipment und Beleuchtungstechnik.
Der Bereich "Spectral Technologies" bietet Lösungen für die quantitative wie qualitative Analyse von Substanzparametern, wie Konzentration eines oder mehrerer Inhaltsstoffe, Reinheit sowie Farbe und Schichtdicke.
Spezialklebstoffe, Silikone und Verbundwerkstoffe sind das Spezialgebiet des Geschäftsbereichs "Electronic Packaging". Hier bieten wir hochwertige Klebetechniken und Detaillösungen auf Bauteilebene.
Die Produktgruppe Laser Vibrometer zur Schwingungsmessung und die Produktgruppe Laser Surface Velocimeter zur Geschwindigkeits- und Längenmessung von Bahnwaren sowie alle Dienstleistungen rund um diese Aufgabenstellungen sind im Bereich "Lasermesssysteme" zusammengefasst. Im Kernbereich Vibrometrie stehen diverse Lösungen beispielsweise für Nieder- und Hochfrequenz-, Drehschwingungen, 3 D-, in- oder Out-of-Plane-Schwingungen zur Verfügung.
Das gemeinsame Element aller Bereiche ist ein hoher Grad an Spezialisierung. Wir bewegen uns technologisch an vorderster Front und teilweise am Limit des derzeit Machbaren. Ziel aller Bereiche ist es unsere Kunden rundum zu betreuen und neben den reinen Produkten Lösungen anzubieten.

Nennen Sie uns bitte konkrete Anwendungsbeispiele der Laser Vibrometrie als berührungslose Schwingungsmessung in der Automobilindustrie.
Generell wird die Laser Vibrometrie im Automobilbereich schon seit vielen Jahren als Standardverfahren für die tägliche Arbeit zur Schwingungsmessung eingesetzt. In der Motorenentwicklung werden bei Untersuchungen der Ventiltriebdynamik spezielle differentiell messende Laser Vibrometer zur Ermittlung des dynamischen Verhaltens des Ventiltellers bei unterschiedlichen Drehzahlen und Motorlastsituationen verwendet. Dazu wird ein High Speed Vibrometer Sensor so positioniert, dass der Laser senkrecht auf den Ventilteller trifft. Ein zweiter Messarm wird parallel zum ersten Messstrahl auf den Ventilsitz gerichtet. Gemessen wird nur die Relativbewegung zwischen den beiden Messstellen und somit nur die reine Ventilbewegung, ohne die Ganzkörperbewegung des Motors. Ein Aspekt, der mit dieser Art der Messung untersucht werden kann ist das Schließverhalten des Ventils im Ventilsitz. Jedes Nachprellen bedeutet Leistungsverlust und einen nicht optimalen Kraftstoffverbrauch. Die Vibrometrie hat sich für diese Anwendung als Standardverfahren etabliert und neben dem normalen Pkw profitiert insbesondere der Rennsportbereich von dem Optimierungspotenzial, das in den Messergebnissen steckt.
Für Untersuchungen am Antriebsstrang wird eine Kombination aus so genannten Rotations Vibrometern zur Erfassung von Drehschwingungen und Einpunkt-Vibrometern zur Bestimmung der Biegeschwingungen für Routinemessungen genutzt. An glühenden Abgasanlagen kann mit der Vibrometrie aus sicherer Entfernung an ausgewählten Stellen oder auch flächenhaft mit scannenden Verfahren gemessen werden. Diese scannenden Verfahren werden bei großen und kleinen Karosserieteilen, bis hin zu mikroskopisch kleinen ESP-Sensoren verwendet. Ihre Aufgabe ist, jeweils rückwirkungsfrei eine große Anzahl von Messpunkten sehr schnell zu messen und die Schwingformen zu visualisieren. Die Messdaten können auch für weiterführende Analysen, zum Beispiel experimentelle Modalanalysen oder Test-FEM-Korrelationen, verwendet werden.

Auf welchem Prinzip beruht die Laser Vibrometrie?
Das Messprinzip beruht auf einem bekannten physikalischen Erscheinung, dem Dopplereffekt. Genauso, wie sich die Tonhöhe eines vorbeifahrenden Fahrzeugs relativ zur Geschwindigkeit ändert, verändert sich die Frequenz des Laserlichts, wenn es vom bewegten Messobjekt zurückgestreut wird. Die Verschiebung der Lichtfrequenz ist direkt proportional zur Oberflächengeschwindigkeit und kann mit einer entsprechenden interferometrischen Optik in eine Hell-Dunkel-Information auf einer Fotodiode gewandelt werden. Mit Hilfe einer speziellen Elektronik und ausgeklügelter Software wird diese Information dann in ein Spannungssignal, das proportional zur gemessenen Oberflächengeschwindigkeit ist, umgewandelt. Zusätzlich zur Geschwindigkeit wird der Schwingweg durch eine zweite unabhängig arbeitende Demodulatorelektronik bereitgestellt. Und im Gegensatz zu vielen anderen taktilen und berührungslosen Messverfahren ist die Vibrometrie aufgrund des Messprinzips von Materialbeschaffenheit, Größe oder Temperatur der Oberfläche unabhängig.

Welche Komponenten gehören grundsätzlich zu einer lieferfertigen Messeinheit?
Es gibt All-in-One-Systeme bei denen die Optikkomponenten und die Elektronikkomponenten in einem Gehäuse untergebracht sind. Diese Systeme sind entweder speziell für Anwendungen im Produktionsbereich in einem entsprechend geschützten Gehäuse oder als handlich mobile Systeme mit externer Batteriespannungsversorgung verfügbar. Die modular aufgebauten Systeme, bei denen der Kunde über die Jahre hinweg die Elektronik und auch die Optik sich ändernden Anforderungen anpassen kann, bestehen aus einer Controllereinheit, die alle elektronischen Komponenten beinhaltet und einem separaten optischen Messkopf. Der Controller kann je nach Anwendung mit der entsprechenden Auswerteelektronik bestückt werden. Der Messkopf richtet sich nach der Anwendung und reicht von Miniatursensoren mit einer Glasfaseranbindung über differentielle Messköpfe bis hin zu einem sehr robusten Messkopf mit fernsteuerbarer Fokussierung. Diese modularen Systeme sind jederzeit aufrüstbar und zwar bis hin zu einem scannenden Messsystem, bei dem die Optik in ein spezielles Gehäuse mit Videokamera und schnellen X/Y-Umlenkspiegeln eingebaut und eine Datenerfassungsstation zur kompletten Systemsteuerung beigestellt werden.

Bitte sagen Sie ein paar Worte zu den Besonderheiten der so genannten scannenden Vibrometrie oder Scanning System.
Die Besonderheit der scannenden Vibrometrie ist, dass Sie sowohl Strukturen im µm- Bereich ( MEMS ) als auch einige Quadratmeter große Karosseriebauteile mit derselben Technik flächenhaft vermessen können. Das Messsystem ist transportabel und sehr schnell am Einsatzort aufzubauen. Es ist sehr einfach zu bedienen und liefert in einer erstaunlichen Geschwindigkeit und Qualität aussagekräftige Ergebnisse. Sehr oft löst das Sichtbarmachen der Schwingungen - wenn sich das Objektbild dreidimensional bewegt - Begeisterung, ja sogar einen "Aha-Effekt" aus.

Wie schnell und in welcher Form werden hier erzielte Messergebnisse für eine Auswertung dargestellt?
Das Besondere und immer wieder Erstaunliche ist die Geschwindigkeit mit der ein solches System aussagekräftige Ergebnisse liefert. Stellen Sie sich die Aufgabe vor, die Schwingformen einer Pkw-Tür bei Anregung mit einem Shaker oder auf einem Rollenprüfstand zu messen und darzustellen. Mit dem Scanning System von Polytec können Sie das in 20 Minuten erledigen. Mit Hilfe einer integrierten Videokamera wählen Sie den Messbereich aus. Eine Art Zeichenprogramm erlaubt Ihnen, die Messpunkte in Form von einzelnen Punkten oder als Gitternetze auf das Bild zu legen. Nach der Einstellung der Messparameter, wie Frequenzbereich oder Mittelungsanzahl, startet das System automatisch die Messung, bei der alle definierten Messstellen nacheinander angefahren und erfasst werden. Ist die Messung vorüber, können Schwingformen als überlagerte Falschfarbenbilder relativ zu dem ebenfalls gespeicherten Videobild dargestellt oder als Messgitterstruktur animiert werden. Für jeden einzelnen Messpunkt können Zeitsignale oder Übertragungsfunktionen gespeichert und für weiterführende Analysen verwendet werden. Die Stärken liegen eindeutig in der Geschwindigkeit, in der Möglichkeit sehr viele Messpunkte rückwirkungsfrei zu messen und in der einfachen Bedienung des Systems. Die Darstellung einzelner Schwingformen als animierte Grafiken ist für den Nutzer eine sehr einfache Art sein Messobjekt zu verstehen.

Welche Vorteile und Möglichkeiten bietet die Laser Vibrometrie speziell im Vergleich zu berührenden, mechanischen Schwingungsaufnehmern?
Ein wesentlicher Vorteil der berührungslosen Vibrometrie ist, dass Sie keine zusätzliche Masse auf die zu messenden Struktur aufbringt und somit das Schwingverhalten des Objekts nicht beinflußt. Ein Eigenresonanzverhalten, wie bei taktilen, mechanischen Aufnehmern vorhanden hat ein Vibrometer systembedingt auch nicht. Die herausragenden Vorteile und Eigenschaften zeigen sich in den Grenzbereichen, das heißt überall dort, wo mit extrem heißen, kleinen, filigranen oder auch sehr großen Messoberflächen taktile Aufnehmer nicht mehr applizierbar sind. Das sind oft Anwendungen im Bereich der rotglühenden Abgasanlage oder im Falle der kleinen Strukturen elektromechanische Sensoren, die gerade in den letzten Jahren immer stärker Einzug in das Automobil finden. Bei drehenden Teilen, zum Beispiel am Antriebsstrang, können Vibrometer das sehr zeitaufwendige Anbringen von taktilen Sensoren vermeiden und zudem an verschiedenen Stellen der Antriebswelle Informationen liefern.
Bei den scannenden Vibrometern ist als ein herausragender Vorteil die extrem kurze Rüstzeit und die fast beliebig hohe Anzahl an Messpunkten zu nennen. Der Bedarf an qualitativ hochwertigen Schwingungsmessungen zum Abgleich von FE- Simulationsmodellen hat dazu geführt, dass die Anzahl der angefragten Messstellen gestiegen ist. Je dichter die Messstellen auf der Struktur verteilt sind, desto höher ist die Frequenzbandbreite, die zum Abgleich zwischen den Testergebnissen und der FE-Rechnung herangezogen werden kann. Bei konventionellen mechanischen Sensoren tritt irgendwann der Effekt der aufgebrachten Masse ein, so dass die Messstellenanzahl von vorneherein begrenzt ist. Ein scannendes Vibrometer hat eine vernachlässigbar kurze Rüstzeit und misst, wenn erforderlich, tausende Messpunkte in wenigen Minuten.

Wo sehen Sie Grenzen dieses Messverfahrens heute beim Stand der Technik?
Die Grenzen sind was die heutigen Spezifikationen von Vibrometern angeht schon sehr hoch angesiedelt. Die Vibrometrie kann Frequenzen von 0 Hz bis 25 MHz messen. Die Erfassung von Schwingwegen im Nanometerbereich und Geschwindigkeiten von unter 0,3 µm/s bis zu 30 m/s sind für die meisten bisher bekannten Anwendungen absolut ausreichend. Die Herausforderungen, denen wir uns derzeit stellen, liegen sehr stark im Bereich der Vibrometerelektronik, also der Verarbeitung der optischen Signale. Viele der dort verwendeten Techniken sind auf Basis ausgereifter analoger Elektroniken aufgebaut und Polytec arbeitet daran, diese, dort wo es Vorteile bringt, sukzessive in digitale Techniken zu überführen. Digitale Signaldecoder erlauben zum Beispiel die Realisation hochauflösender Messsysteme, die als Primärkalibrierstandard dienen und eichfähig sind. Die Grenze der messbaren Frequenz hat sich über die Jahre hinweg auch immer weiter nach oben verschoben. Mit der heutigen Technik haben wir eine Grenze erreicht. Aktuelle Anfragen für höhere Frequenzen, die deutlich über die erwähnten 25 MHz hinausgehen, werden derzeit von unserer Entwicklungsabteilung auf Ihre Realisierbarkeit überprüft.

Was kann ein Kunde über den Erwerb der reinen Hard- und Software hinaus von Polytec erwarten - was gehört zum gesamten Paket?
Polytec versteht sich als Lösungsanbieter. Wenn jemand eine neue Aufgabe für die Vibrometrie hat, sind wir der richtige Ansprechpartner. Unsere Vertriebsmitarbeiter sind Produkt- und Anwendungsspezialisten. Wir haben entsprechende Applikationslabore und Applikationsmitarbeiter, die gemeinsam mit dem Kunden neue Anwendungsfälle untersuchen. Sie können als einen ersten Schritt, um die Technik kennen zu lernen, eine Messung bei uns beauftragen. Viele Kunden, die schon Systeme haben, mieten neue Systeme, bevor sie sich zu einem Kauf entschließen. Bei uns heißt dieses Programm "Rent-a-Vib".
Zum Leistungspaket gehören natürlich auch Schulungen und Seminare, bei denen wir unseren Kunden die neusten Entwicklungen vorstellen und ihnen darüber hinaus Gelegenheit geben, über Ihre Applikationen zu berichten. Wir entwickeln gemeinsam mit führenden Automobilherstellern und Automobilzulieferern neue Methoden und immer neue Varianten der Vibrometrie. Mit Polytec findet der Kunde einen Partner, der Forschung und Entwicklung, Produktion und über viele Jahre gesammeltes Anwendungs-Know-how an einem zentralen Standort vereint. Mit unseren weltweiten Polytec-Standorten in den USA und Japan, Frankreich und England sind wir in allen wichtigen Industriestandorten mit unseren Produktexperten vertreten. Für jeden Kunden sind wir vor wie nach dem Kauf eines Systems kompetenter Ansprechpartner für alle Fragen.

An welchen Projekten arbeitet Polytec zurzeit und wie wird die Zukunft der Mess- und Prüftechnik für das Unternehmen in den nächsten fünf bis zehn Jahren aussehen?
Polytec forscht weiter an den prinzipiell zugrundeliegenden Techniken der Vibrometrie und entwickelt die Laservibrometer-Technologien ständig weiter, um Vorreiter neuer elektronischer und optischer Techniken zu bleiben. Hier sind zum Beispiel die zunehmende Digitalisierung der Technik und die Nutzung der damit verbundenen Vorteile zu nennen. Im Bereich der scannenden Systeme wird, besonders was die weiterführende Datenverarbeitung angeht, noch sehr viel getan. Hier sind vor allem die Verbesserung von Schnittstellen zu weiterführenden Analysestationen und die verbesserte Bereitstellung von Daten zur Test-FEM-Korrelation ein Fokus. Eine Herausforderung für die Zukunft sind mehrdimensionale Scanning-Systeme, die mehrere Raumrichtung simultan erfassen können. Ein relativ neues Anwendungsfeld für die Technik stellt die akustische Güteprüfung in der Fertigungskontrolle dar. Hier setzt sich immer stärker der Vorteil der Körperschallmessung gegenüber einer Luftschallmessung durch. Wir haben hierfür eine spezielle Applikationsmannschaft, die wir weiter ausbauen werden, und die unsere Kunden bei der Integration der Messtechnik in die Produktionsüberwachung unterstützt. Die Produktionsüberwachung mit Vibrometern sehen wir als einen Wachstumsmarkt an. Für den von Ihnen angesprochenen Ausblick auf die Situation in fünf bis zehn Jahren sehen wir die Aufgabe, die Produktpalette so abzurunden, dass wir die Lösungen anbieten können, die den heutigen und zukünftigen Entwicklungsprozessen gerecht werden. Das bedeutet neben der Weiterentwicklung der bestehenden Technik auch eine Diversifizierung mit anderen Messtechniken und Dienstleistungen, die es erlauben umfassende Lösungen aus einer Hand anzubieten.

Vielen Dank, Herr Frech, für die ausführlichen Antworten.

Zur Person:
Michael Frech wurde 1965 in Karlsruhe geboren. Nach dem Studium der Physikalischen Technik an der FH Heilbronn war er von 1991 bis 1994 maßgeblich am Aufbau eines Technologietransferzentrum mit dem Schwerpunkt industrielle Messtechnik beteiligt und in den folgenden Jahren als Projektmanager tätig. 1995 wechselte Frech in den Vertrieb und war als Vertriebsingenieur bei der Polytec GmbH im Bereich Lasermesstechnik für den Vertrieb der Laser Vibrometrie im deutschsprachigen Raum verantwortlich. Im Jahr 1998 wechselte er zu LMS International einem der führenden Anbieter für CAT/CAE-Lösungen für den Automobilbereich und ist dort zuletzt in der Position als Geschäftsführender Prokurist verantwortlich für die Leitung der deutschen Verkaufsniederlassung. Seit Juli 2001 ist Michael Frech Bereichsleiter für den Geschäftsbereich Lasermesssysteme bei der Polytec GmbH mit weltweiter Vertriebs- und Produktverantwortung.

Autor(en): Thomas Jungmann

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